DISEÑO VENTILADOR AXIAL PARA REFRIGERACION RESES
-
Upload
hans-joans -
Category
Documents
-
view
74 -
download
0
Transcript of DISEÑO VENTILADOR AXIAL PARA REFRIGERACION RESES
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
1
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN FACULTAD DE PRODUCCION Y SERVICIOS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA
TEMA:
PROFESOR: ING. RODRIGUEZ BEJARANO JOSE LUIS ASIGNATURA: VENTILADORES Y COMPRESORES INTEGRANTES: HUANCCO CACERES PABLO LUIS LLALLACACHI HUANCA JESUS ZEBALLOS RIVERA HANS JOANS
DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION
DE CARNE DE RES
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
2
INDICE
I. Objetivos…………………………………………………. 3
II. Descripción frigorífico para reses..………………………. 3
III. Metodología de Cálculo Carga térmica Neta
III.1. Carga a través de Paredes y Suelo……............... 5
III.2. Carga debido a los Servicios………………..….. 10
III.3. Carga debido a Infiltraciones…………………….11
III.4. Carga debido enfriamiento masa de reposición…. 12
III.5. Carga debido a ventiladores………………. …… 13
IV. Diseño y Selección de Equipos…………………………. 13
V. Diseño de Evaporador
V.1. Intercambiador de Calor…………………….….. 16
V.1.1. Calculo Coeficiente de Convección h……... 18
V.1.2. Resistencia térmica en Aletas y Tubos……. 20
V.1.3. Resistencia de Ebullición y escarchado…… 21
V.2. Diseño Ventiladores………………………........ 23
V.2.1. Perdidas en tubos…………………………. 24
V.2.2. Perdidas en Aletas………………………… 25
V.2.3. Perdidas en la entrada…………………….. 26
V.2.4. Perdidas en la Salida……………………… 27
V.2.5. Calculo del ventilador…………………...... 28
VI. Selección de Equipos
VI.1. Selección Compresor………………………....... 39
VI.2. Selección Condensador………….……….…… 41
VI.3. Selección Válvula de Expansión …………….…. 43
VII. Bibliografía……………………………………………… 44
VIII. Anexos …………………………………………………. 45
VIII.1. Datos de Catálogos
VIII.2. Hoja de Cálculo para el Diseño
IX. Planos…………………………………………………… 46
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
3
I.- OBJETIVOS
Describir el proceso de refrigeración mediante utilización de evaporador.
Encontrar los parámetros principales para el cálculo de un ventilador que se
utilice para impulsar aire caliente a través de un banco de tubos con refrigerante.
Realizar Los cálculos pertinentes para el diseño de los ventiladores a utilizar.
Utilizando los parámetros obtenidos realizar los planos del evaporador.
II.- DESCRIPCION FRIGORIFICO PARA RESES
Las cámaras frigoríficas de carne no son diferentes de otras cámaras alimentarias, se
aplican los mismos principios que se refieren a las condiciones de higiene de las
cámaras frigoríficas y de los edificios en donde éstas están alojadas.
Todas las cámaras frigoríficas de carne deben funcionar bajo normas dadas a conocer
mediante órdenes del servicio de inspección.
Las precauciones adecuadas deben hacer mínimo el crecimiento y la contaminación
bacteriana, esto significa, el uso de materias primas limpias, agua y aire limpios, de una
manipulación de la carne en condiciones sanitarias en todos los aspectos, un buen
control de temperatura de las cámaras, y una limpieza escrupulosa entre turnos de
trabajo de todas las superficies en contacto con la carne.
El enfriamiento rápido de la carne, no sólo reduce el tiempo de crecimiento, sino que
también reduce el número de bacterias. Es un deber del que trata los productos de la
carne recomendar al consumidor normas de preparación adecuadas en las cámaras
frigoríficas, las condiciones sanitarias se reducen a mantener la limpieza y el orden
físicos, evitando la entrada de olores extraños.
La res de vacuno que no se envía el día después de la matanza, debe mantenerse en
cámaras frigoríficas de temperaturas de -5 a 2ºC, con una circulación mínima de aire
para evitar un excesivo cambio de color y una pérdida de peso importante.
Las reses en medias piezas o laterales, se soportan de ganchos suspendidos de un carrito
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
4
con una rueda que corre por carriles elevados. Los carritos, en general, se transportan
desde la sala de despiece a las cámaras de refrigeración mediante cadenas de transporte
motorizadas, equipadas con dedos que engarzan con los carritos, los cuales se
distribuyen a continuación manualmente por el sistema de carriles de las cámaras de
refrigeración y conservación.
Almacenamiento no refrigerado
La carne fresca encoge, pierde peso y es rápidamente atacada por bacterias del aire, de
las manos y de la ropa de limpieza, así como de los medios de transporte. Como la
reproducción de las bacterias aumenta con la temperatura y la humedad, el peligro es
mayor en los trópicos; por este motivo, cuando no se dispone de refrigeración,
tradicionalmente la carne se vende al por menor en un plazo de doce horas desde la
matanza, incluso con el peligro de pérdidas debidas al encogimiento, desechos y
deterioro.
Sin embargo, el método más importante de conservación, que produce escasas pérdidas
de peso y valor y que mantiene más el gusto de la carne fresca así como sus cualidades
nutricionales y organolépticas, es con mucho el sistema de enfriamiento por circulación
forzada, particularmente si va acompañada de un control de la humedad.
Conservación y almacenamiento por refrigeración
Los cambios físicos, químicos y micróbicos que se producen en la carne fresca son
estrictamente una función de la temperatura y la humedad. El control de la temperatura
y la humedad constituye, consecuentemente, en la actualidad el método más importante
de conservación de la carne para atenerse a las necesidades de los procedimientos o del
comercio al por menor de los países industrialmente desarrollados del mundo.
La cámara frigorífica para la cual estamos diseñando el circuito de refrigeración tiene la
misión de conservar la carne de res durante al menos 27 días hasta el momento en que
serán destinadas al comercio, para ello nuestro objetivo es reducir la temperatura de las
especies en -4°C desde los 30°C en los que entra al lugar, además que la humedad debe
ser la optima para evitar el excesivo secado de la carne ya que esto originaria, pérdida
de peso, lo que a la larga resulta en pérdida económica, debido a la disminución del
costo de la carne.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
5
III.- CÁLCULO DE LA CARGA TERMICA NETA
Dimensiones y datos de la Cámara de Refrigeración
La expresión para calcular la masa de
producto fresco almacenable es la siguiente:
Donde:
Mpf = masa de producto fresco almacenable [kg]
N = Números de reses para la capacidad máxima [kg/m3],
m = masa aproximada de una res [m3]
La masa de producto de rotación diaria almacenable es la cantidad máxima de producto
nuevo que puede introducirse al día en una cámara tanto si está vacía como si está llena.
En el caso del producto fresco se ha previsto un 10% de la masa de producto fresco
almacenable como la masa de producto fresco de rotación diaria para no disparar la
necesidad térmica. La expresión para calcular la masa de producto fresco de rotación
diaria es la siguiente:
El aire en el interior de la cámara es necesario que se encuentre con una temperatura
adecuada para la conservación de la carne magra hasta el momento en que se retire del
almacenamiento, para ello es necesario una alta humedad en el aire interior cerca del
95% para que el aire no absorba la humedad de las especies y estas aminoren su peso, lo
que conllevaría a un menor precio de venta en el mercado.
3.1.-Carga térmica debido a transferencia de calor a través de la paredes del
recinto
El recinto donde se refrigerara la carne debe contar con el adecuado aislamiento térmico
de paredes además de protección adicional contra posibles migraciones de vapor de
Largo 15 m
Ancho 15 m
Alto 5 m
Volumen 1125 m3
Capacidad 250 reses
Peso de res prom 400 kg
t de almacén max 22 dias
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
6
agua hacia el exterior para ellos hemos seleccionado placas de Poliuretano para el
aislamiento.
Para las Paredes Representamos en el siguiente diagrama:
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
7
Calculemos el coeficiente de transferencia de calor por convección: evaluemos la
temperatura de película en el interior y exterior de las paredes
T°C aire superficie ambiente promedio
Interior 10 -4 3
Exterior 10 24 17
Consideramos una temperatura de pared del promedio entre el interior y el exterior y
condiciones criticas en las temperaturas interior y exterior.
Ahota evaluemos las propiedades a esas temperaturas:
Propiedad Interior Exterior
Pr 0.735 0.732
β 1/279 1/290
k 0.02401 0.0288
1.82E-5 1.93E-5 ט
Ra(paredes) 3.69E6 3.16E6
Nu(paredes) 25.85 24.88
H(paredes) 4.14 4.78
Relación de Nusselt
En las paredes
Relación de Nusselt
en el techo
Relación de Nusselt en el piso
-
Ra(techos) 5.76E10 4.94E10
Nu(techos) 316.18 366.97
H(techos) 2.47 2.81
Ra(pisos) 5.76E10
Nu(pisos) 577.94
h(pisos) 3.70
Longitud característica paredes 150 150
Longitud característica techo 3750 3750
Para evaluar los valores de Rayleigh , Nusselt y el coeficiente de transferencia de calor
por convección utilizamos:
ט
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
8
De acuerdo al o recomendado por CENGEL utilizamos una longitud equivalente igual a
la altura de las paredes y para el techo y piso es necesario evaluarla con:
Donde:
: Area superficial
: Perímetro
Ahora sumamos todas las resistencias
Para la convección de paredes en el interior:
Para la convección de paredes en el exterior:
para el techo interior:
Para el techo exterior:
Evaluemos las resistencias por conducción y convección en las paredes:
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
9
Para el techo:
Para el piso:
Para calcular la resistencia térmica del piso usamos el método recomendado por
INCROPERA utilizando un factor de forma
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
10
Calculamos un diámetro equivalente
Entonces la resistencia térmica será:
La resistencia equivalente para el piso esta dada por:
Expresando la carga térmica cedida en el día
3.2.-Carga Térmica debida a los Servicios
Consideramos el calor emitido por la luz, por las personas, irradiación desde otras
superficies en el interior. Considerando la recomendación de iluminación por
fluorocentes para uso industrial, en locales de menos de 6m de altura. Utilizando el
método de los Lumenes (Anexo) 9 fluorecentes de 300 W cada uno:
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
11
Además estimamos las perdidas debida a otros servicios así como las perdidas debida al
calor generado por las personas que trabajen ocasionalmente en el local durante el día
para ello estimamos que son equivalentes a un 30% de la carga térmica a través de las
paredes.
Entonces el calor total a través de todos los servicios de la habitación.
3.3.-Carga Térmica Debida a las infiltraciones
La carga debida a las infiltraciones expresa las pérdidas de calor por entrada de aire
exterior en el interior de la cámara. Se prevén unas cuatro renovaciones al día del total
del aire que contiene la cámara con el fin de contemplar en conjunto todas las veces que
se abre y se cierra la puerta de la cámara en un día. La expresión para estimar la carga
debida a las infiltraciones es la siguiente:
Donde:
Vrec : Volumen del recinto (m3)
nren :Numero de renovaciones al dia
pair int : Densidad del aire en el interior (kg/m3)
hair ext : entalpia del aire exterior en condiciones de diseño
hair int : entalpia del aire interior en condiciones de diseño
Para nuestro cálculo consideramos las condiciones del aire exterior de día en verano.
Temperatura aire interior -4°C
Humedad relativa aire interior 95%
Temperatura aire exterior 25°C
Humedad aire exterior 18%
Presión atmosférica local (Arequipa) 78 Kpa
Con estos datos y con la ayuda del programa PSYCRO encontramos las entalpias y la
densidad del aire interior.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
12
Entalpia aire interior 4.2848 KJ/kg
Densidad aire interior 1.004 kg/m3
Entalpia aire exterior 36.8174 KJ/kg
Densidad aire exterior 0.905 Kg/m3
Entonces con estos datos calculamos las perdidas por infiltraciones en el local para lo
cual aplicamos la formula mencionada líneas arriba.
3.4.-Carga Térmica por enfriamiento de la Masa de Reposición
La carga térmica correspondiente al enfriamiento del género refleja el calor que hay
que aportar al producto para llegar a su temperatura de conservación. Esta carga
depende del calor específico del producto. Este calor lo calculamos para la cantidad de
carne que entra a diario en el almacén (Masa de producto de rotación) Para la carne de
res consideramos los siguientes datos
Calor Especifico Carne de Res 3533.7 J/KgK
Temperatura Ingreso al almacén 30°C
Temperatura optima de Conservación -4°C
Densidad aproximada 945.09 Kg/m3
Porcentaje de agua en especie 74%
La expresión para estimar la carga por enfriamiento del género es la siguiente hasta la
temperatura de congelación:
De todo el calor de enfriamiento una parte es la que comprende el calor resultado de la
evaporación del agua presente en la carne, Calor latente, este contribuye a aumentar la
humedad del aire en el interior, se calcula en base a la masa de agua en carne y el hfg
(Entalpia de Vaporización del agua)
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
13
3.5.-Carga debida al calor desprendido por los ventiladores
La carga térmica debida a los ventiladores refleja el calor que aportan los ventiladores
de los evaporadores aunque estos, a la vez, se encarguen, en parte, de aportar el frío a la
cámara. La expresión para estimar la carga debida al calor desprendido por los
ventiladores es la siguiente:
Con los valores calculados hallamos la carga térmica total en un día:
Carga térmica Paredes Techo y suelo 760.81 MJ/día
Carga térmica debido a Servicios 286.56 MJ/día
Carga térmica debido a Infiltraciones 146.98 MJ/día
Carga térmica enfriamiento Masa Reposición 1201.46 MJ/día
Carga térmica de Ventiladores 119.79 MJ/día
Con ello y para un trabajo de 18 horas al día podemos calcular la potencia neta que
necesita absorber el evaporador entonces
IV.-DISEÑO Y SELECCIÓN: EQUIPOS PARA LA CAMARA FRIGORIFICA
La instalación frigorífica a proyectar consta de un sistema de producción de frío
mediante un sistema de compresión mecánica de simple efecto Utilizando refrigerante
R404a. Básicamente está formado por:
Evaporador: Se sitúa entre la válvula de expansión y la tubería de aspiración del
compresor y su función en la instalación frigorífica es la de absorber calor del recinto a
refrigerar y transmitir ese calor al fluido refrigerante. La finalidad del evaporador se
consigue de la siguiente manera: el refrigerante que proviene del condensador después
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
14
de pasar por el elemento de regulación de flujo refrigerante entra al evaporador a la
temperatura de ebullición correspondiente a la presión existente en el mismo, y lo hace
como líquido saturado o vapor muy húmedo con un título muy bajo. Debido a las
condiciones de presión mencionadas en el interior del intercambiador, el refrigerante
absorbe el calor latente necesario para realizar su cambio de estado de líquido a vapor a
través de las paredes del evaporador.
Compresor: El compresor en esta instalación es el único elemento generador del
movimiento del fluido refrigerante. Desempeña fundamentalmente dos funciones, la de
aspiración y la de compresión. La función de aspiración se refiere a la de aspirar los
vapores generados en el evaporador, por absorción de potencia térmica procedente de la
cámara, con la finalidad de que éstos no se acumulen en el evaporador. Esta
acumulación provocaría un aumento de la presión y como consecuencia aumentaría la
temperatura de evaporación.
Condensador: El condensador es un intercambiador de calor en el que se produce la
condensación del fluido frigorífico que proviene de la descarga del compresor. Para
conseguir el intercambio de calor es necesario un agente de condensación que puede ser
una corriente de aire, de agua o de ambas. En el condensador se produce la cesión de
calor del gas refrigerante al exterior, este calor es la suma del calor absorbido en el
evaporador y el producido por el trabajo de compresión.
Válvula de Expansión: Regular el caudal de líquido refrigerante desde la línea de
líquido hasta el evaporador de manera que el evaporador pueda vaporizar todo el líquido
que se le envía. Mantener una diferencia de presiones entre la presión de alta y la de
baja del sistema para permitir que el refrigerante se vaporice bajo las condiciones de
presión más baja existentes en el evaporador mientras que el proceso de condensación
del refrigerante sucede en la alta presión del condensador.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
15
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
16
V.-DISEÑO DE EVAPORADOR
Para calcular el evaporador necesitamos saber a que temperatura trabajara el
refrigerante en dicho elemento para el refrigerante R404a debemos elegir una
temperatura inferior a la temperatura del aire de la cámara que es impulsado por el
ventilador, para ello requerimos analizar el diagrama Presión contra entalpia del
refrigerante. (Revisar anexo A)
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
17
Temperatura refrigerante evaporador -8°C
Entalpía de Salida h 2 362.73 KJ/Kg
Entalpia de Entrada h1 258.07 KJ/Kg
Entalpia de Vaporización 176.06 KJ/Kg
t funcionamiento en el día 18 horas
Presión de operación 4.75 bar
Calculando la masa de refrigerante
Una vez que hemos encontrado el flujo másico de refrigerante para el ciclo ideal de
refrigeración procedemos a diseñar el intercambiador de calor, utilizando como
referencia catálogos de evaporadores de UNICOM (Anexos), el diseño del evaporador
consta de dos partes:
Diseño del Intercambiador de calor
Diseño de sistema de impulsión de aire (Ventilador)
5.1.-Diseño de Intercambiador de calor
Para el intercambiador de calor escogemos el de tipo Flujo cruzado a través de banco de
tubos para lo cual requerimos los datos de entrada del aire del interior de la cámara y de
salida del intercambiador.
Velocidad recomendada de aire 4m/s
Temperatura aire entrada Tae -4 °C
Salto Térmico 4°C
Temperatura de refrigerante Tr -8 °C
Temperatura salida aire frio Tas -7.95 °C
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
18
L(m)
Para el intercambiador descrito procedemos a estimar su coeficiente de transferencia de
calor global, elegimos parámetros iniciales de diseño de intercambiador.
Diámetro interno de Tubería de Cobre 1 pulgada
Espesor tubería de cobre 1/32 pulgada
Espesor aletas de intercambiador 1.0 mm
Separación Aletas en el intercambiador 4.5 aletas/pulg
Separación Longitudinal SL 7.04 cm
Separación Transversal ST 7.04cm
Entonces para dimensionar el intercambiador necesitamos escogemos una configuración
no escalonada para los tubos del intercambiador con una separación longitudinal y
transversal de 6 cm. Entonces la resistencia térmica total entre el aire de la cámara y el
refrigerante se puede dividir en:
Resistencia a la convección externa de los tubos
Resistencia debido a escarcha sobre los tubos
Resistencia de conducción de la tubería de cobre con aletas
Resistencia a la convección para la ebullición del refrigerante
5.1.1.-Calculo coeficiente de Convección Externa
Para ello calculamos la temperatura de película del aire y evaluamos sus propiedades,
esta temperatura es -6°C=267K, con ellos podemos calcular.
T (°c)
-4
-7.95
-8
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
19
Calor especifico 1.006 kJ/kgK
Densidad 1.019 Kg/m3
Viscosidad Dinámica 167.85E-7
Prandt 0.7158
Coef Conductividad 0.02362 W/m*K
Prandt superficie 264K 0.7164
Para hallar la velocidad máxima en el intercambiador para un arreglo alineado de 10x10
tubos (100 tubos)
Con lo que hallamos el número de Reynolds máximo en el arreglo tubular.
Ahora encontramos el numero de Nusselt aplicando la siguiente formula empírica.
h=86.993 W/m2 K
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
20
5.1.2.-Resistencia Conducción aletas y tubos
Para la región de los tubos calculamos la residencia de cilindros huecos, de cobre para
un diámetro de 2.54cm y espesor 1/32´´ para ello tomamos :
Ahora debido a las aletas de aluminio utilizamos el modelo de aleta rectangular para
encontrar la transferencia de calor a través de ella analizado para una pulgada de
longitud.
Entonces el rendimiento de la aleta se calcula con una Lc = 3.62cm, Ac=50.97 cm2
K (Cobre) 401 W/m*k
K (Aluminio) 237 W/m*K
Aleteado 9 aletas/2 pulg
3.52 cm
7.04 cm 1.0 mm
0.464 cm
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
21
Considerando ahora el rendimiento de todas las aletas evaluando para L del tubo de 2
pulgadas.
Ahora calculando la resistencia de las aletas por metro
5.1.3.-Resistencia a la convección para la ebullición del refrigerante y escarchado
de los tubos
Al encontrarse el refrigerante al interior de los tubos en estado de ebullición su
coeficiente de convección es muy elevado, porque para efectos del cálculo
despreciamos su resistencia, estimamos de tablas que la resistencia de una fina capa de
escarchado sobre los tubos se puede considerar:
Ahora calculamos el coeficiente global de transferencia de calor para ello encontramos
la resistencia total del intercambiador.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
22
Ahora calculamos la temperatura de impulsión del intercambiador de calor.
Entonces calculamos la diferencia media logarítmica de las temperaturas para poder
encontrar el Área necesaria para la transferencia de calor hacia el evaporador.
Entonces del balance energético podemos calcular la longitud de cada paso del tubo
Entonces escogemos diseñar los tubos con una longitud de 3.5m asegurando que se
entregue la carga térmica del aire y así alcanzar la temperatura necesaria.
Utilizando los datos obtenidos podemos diseñar el intercambiador de calor
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
23
Numero pasos de tubo Tubo 100
N vueltas Tubos Transversales 10
N vueltas Tubos Longitudinales 10
ST (Paso transversal) 7.04 cm
SL (Paso longitudinal) 7.04 cm
Diámetro Interno Tubos de cobre 1 pulgada
Espesor tubería 1/32 pulgada
Longitud de cada paso de tubos 3.5m
Aletas de aluminio 4.5 aletas/pulgada
Separación entre aletas 0.464 cm
Espesor de aletas 1 mm
Altura Total del arreglo de tubos y aletas 70.4 cm
Ancho Total arreglo de tubos y aletas 70.4 cm
5.2.-Diseño de los Ventiladores para impulsión del aire
Una vez que conocemos las dimensiones del intercambiador de calor procedemos a
calcular las parámetros esenciales para el cálculo del ventilador axial.
El caudal de aire necesario para el intercambiador se calcula de la siguiente formula:
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
24
Como el caudal es grande y debido a que es recomendable distribuir lo mas
uniformemente el aire sobre los tubos del evaporador utilizaremos cuatro ventiladores
en paralelo para generar el flujo considerando perdidas por fugas.
Ahora calculas las perdidas mecánicas en el intercambiador para poder encontrar la
presión necesaria que debe generar los ventiladores las cuales incluyen.
Perdidas en los tubos del intercambiador de calor
Perdidas por fricción en aletas de evaporador
Perdidas en la entrada del equipo
Perdidas en la salida, expansión abrupta
5.2.1.-Perdidas en los Tubos del Intercambiador de calor
En el intercambiador utilizamos el siguiente diagrama para calcular factor de fricción
Reynods= 15000
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
25
Encontramos que:
Coef. de fricción f 0.18
Factor de corrección X 1
5.2.2.-Perdidas a través de las aletas del Evaporador
Consideramos un flujo entre placas paralelas para lo cual utilizamos el modelo de flujo
interno a través de placas de área mayor a su separación, además considerando
superficie lisa utilizamos la siguiente ecuación para hallar el Diámetro Hidráulico.
Con lo cual hallamos en número de Reynolds
Debido a la interferencia de los tubos en el interior consideramos el flujo como
turbulento para ello aplicamos la siguiente expresión del coeficiente de fricción.
Ancho del canal a 0.464 cm
Alto del canal b 70.4 cm
Longitud del canal c 70.4 cm
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
26
Con el factor de fricción encontramos la perdida de carga debido a fricción en las aletas
del evaporador.
5.2.3.-Perdidas en la entrada del equipo
Para ello calculamos las pérdidas que surgen al atravesar la rejilla de entrada que
funciona como filtro, datos sacados del manual de Salvador Scolda, para ello
calculamos la presión dinámica para una entrada en la conducción de 10 644.5 m3/hora,
para una entrada de 55 cm aproximadamente, entonces del diagrama .
Existen diversos métodos para
calcular la pérdida de carga
debida a los accidentes de una
canalización, siendo el mas
usado en los manuales
especializados el siguiente:
Se basa este método en calcular
la perdida de carga de un
elemento de la conducción en
función de la presión dinámica
Pd del aire que circula y de
unos coeficientes ≪n≫ de
proporcionalidad, determinados
experimentalmente,
Para cada uno según su forma y
dimensiones. La formula usada
es:
Perdida de carga
P = n x Pd (mm c.d.a.)
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
27
Utilizando el diagrama encontramos Presión dinámica=17 mmca y utilizando el
diagrama para el cálculo de n para rejillas en la entrada de la conducción. Para un área
Libre del 90% de la total
5.2.4.-Perdidas En la Salida del equipo
Para ello consideramos que la salida se da abruptamente a través de una rejilla hacia el
interior de la cámara frigorífica.
Para las perdidas a la salida con un coeficiente por expansión abrupta de 0.1
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
28
5.2.5.- Calculo de Pérdidas Totales
Sumando todas las perdidas y utilizando un factor de seguridad de 1.3 para las perdidas
no consideradas.
Una vez encontrado el Caudal y la presión necesaria procedemos a diseñar los
ventiladores para la impulsión del aire.
Caudal Requerido por ventilador 10 644 m3/hora
Presión Requerida 202.53 Pa
Numero de ventiladores 4
Densidad del aire interior 1.019 Kg/m3
Con lo cual procedemos a diseñar los ventiladores
5.2.5.- Calculo de Ventilador
Productividad:
Presión:
Velocidad:
Densidad del aire:
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
29
Determinemos el coeficiente de rapidez del ventilador
1/2
1/2
3/4 3/4
10644 3.14*1800
53 3600 3053 323.007
200y
Q
P
El valor obtenido es característico para ventiladores axiales con paletas de chapa:
( 200 400)y
Determinemos el diámetro del rodete utilizando la ecuación:
0.32 0.545 4y b pD
n
El ancho de la paleta b lo adoptamos:
150b mm
0.32 0.545*323.007 4*0.15 2000.444
1800D m
Calculemos el diámetro del rodete utilizando la ecuación de continuidad:
3 32
12.9
(1 )
Qd
k n
El diámetro relativo del casquillo para la mayoría de ventiladores axiales caria entre
0.4 0.8 asumimos 0.4 relación entre la velocidad y la tangencial en el diámetro exterior
del casquillo a
BT
ck
u (usualmente varía entre 0.6-1)
Para nuestro cálculo asumimos 1k entonces:
332
1 361502.9 0.554
0.4(1 0.4 ) 0.7*1800d m
El resultado obtenido varia satisfactoriamente con el valor anterior, asumimos la magnitud
intermedia 0.530d
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
30
La velocidad tangencial en el diámetro exterior del rodete se determina según la formula:
3.14*0.530*180049.951 /
60 60
Dnu m s
No se recomienda superar los 100 m/s por el ruido excesivo.
Calculemos el área de la circunferencia con el diámetro D.
2 2*0.5300.221
4 4
dF m
Calculemos el coeficiente de caudal:
106540.268
3600*0.221*49.951
ucQQ
Fu u
Calculemos el coeficiente de presión:
2 2
2 2*2000.157
1.003*49.951
p
u
Calculemos el coeficiente teórico de presión:
1.25*0.2070 0.197T k
Para el valor adoptado del diámetro relativo del casquillo 0.4BTD
D entonces el diámetro
del casquillo y la longitud de la paleta serán:
0.53*0.4 0.212BTD
0.530 0.2120.159
2 2
BTD Dl
Las paletas cilíndricas las utilizamos para es decir para las paletas cortas , en este caso
es admisible calcular los parámetros de las paletas según el diámetro medio.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
31
2 2 2 20.530 0.2120.3842
2 2
BTcp
D DD
En nuestro caso 0.4 paletas largas dividimos las paletas en 13 partes y para cada una
calculamos según su diámetro medio adoptamos VA sin PGE.
Calculamos la correspondiente axial de la velocidad Ca y el coeficiente de caudal.
Relación de de aéreas de secciones de casquillo y de rodete
22
2
4
4
BT BTF DY
F D
El área de la sección anular:
2
1 1 (1 )BTBT
FF F F F F
F
De donde el coeficiente de caudal:
2 2 2
0.26830.3194
(1 ) (1 ) (1 0.4 )
Q Q
F u
La componente axial de la velocidad:
0.3194*49.951 15.955 /ac u m s
Calculamos el radio relativo promedio de todas las secciones con la formula siguiente:
Para diseñar los alabes torcidos dividimos en 13 secciones el alabe (n=13) en los cuales
tenemos que calcular el radio medio:
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
32
Además encontramos el radio promedio.
Para el cálculo de U (Velocidad tangencial) en cualquier sección incluyendo la sección
media aplicamos:
Para calcular la componente tangencial de la velocidad absoluta a la salida del rodete
utilizamos la expresión.
Para calcular los triángulos de velocidad en el rodete dígase Beta1 y Beta 2 utilizamos
las siguientes formulas (Evaluadas en promedio).
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
33
Luego calculamos el ángulo medio de entrada a la paleta de sección i.
Los resultados a anteriormente descritos son evaluados en la sección media, para las
otras trece secciones los datos se presentan a continuación.
i R medio R relativo U (m/s) C2u (m/s) Beta 1 Beta
med
Beta 2
1 0.112 0.423 21.133 12.383 37 47 61 2 0.124 0.469 23.439 11.165 34 42 52 3 0.136 0.515 25.744 10.165 32 38 46 4 0.148 0.562 28.050 9.330 30 34 40 5 0.161 0.608 30.355 8.621 28 31 36 6 0.173 0.654 32.660 8.013 26 29 33 7 0.186 0.700 34.966 7.484 25 27 30 8 0.198 0.746 37.271 7.021 23 25 28 9 0.210 0.792 39.577 6.612 22 24 26 10 0.222 0.838 41.882 6.248 21 22 24 11 0.234 0.885 44.188 5.922 20 21 23 12 0.247 0.931 46.493 5.629 19 20 21 13 0.259 0.977 48.799 5.363 18 19 20
PROMEDIO 0.202 0.762 38.042 6.879 22.75 24.75 27.11 Procedemos a calcular los parámetros aerodinámicos de las secciones del alabe,
primeramente determinamos las cargas aerodinámicas en cada sección:
Asumiendo
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
34
Encontramos la relación cuerda paso para la sección media:
Procedemos a calcular el número de alabes requerido en los ventiladores.
Seleccionamos
Ahora para calcular la Relación cuerda paso en cada sección utilizamos:
Para cada sección calculamos el coeficiente de sustentación.
Los Datos para cada sección se presentan en la siguiente tabla:
i CyT REL CUERDA PASO Cy
1 1.035 1.065 0.972
2 0.857 0.960 0.893
3 0.719 0.874 0.823
4 0.610 0.802 0.761
5 0.524 0.741 0.707
6 0.454 0.689 0.659
7 0.397 0.643 0.617
8 0.350 0.604 0.580
9 0.311 0.569 0.547
10 0.278 0.537 0.518
11 0.250 0.509 0.491
12 0.226 0.484 0.467
13 0.205 0.461 0.445
PROMEDIO 0.336 0.518 0.652
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
35
Ahora Procedemos a calcular el promedio de los coeficientes de sustentación para
verificar la suposición inicial de dicho coeficiente de ser necesario se debe proceder con
el cálculo iterativo hasta encontrar una respuesta satisfactoria.
El siguiente paso es linealizar el alabe con el fin de reducir las tensiones en la raíz de
este, para ello utilizamos el cálculo para aerogeneradores adaptado para ventiladores.
Calculando para ello el coeficiente en cada sección
El siguiente paso es aplicar la formula empírica:
Los resultados se presentan en la siguiente tabla:
Con el coeficiente de sustentación elegimos un perfil NACA, se recomienda utilizar
para el caso de turbomáquinas los perfiles de la serie de cuatro dígitos 44XX, entre los
cuales se encuentran: 4421, 4418, 4415, 4412, 4409. Hemos seleccionado el perfil 4412
del catalogo de perfiles NACA adjunto, se muestra las dimensiones relativas del perfil.
i TSR Cuerda (m)
1 1.325 0.173 2 1.469 0.154 3 1.614 0.138 4 1.758 0.126 5 1.903 0.116 6 2.047 0.107 7 2.192 0.100 8 2.336 0.093 9 2.481 0.088 10 2.625 0.083 11 2.770 0.079 12 2.914 0.075 13 3.059 0.071
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
36
Para poder seleccionar el perfil utilizamos las propiedades del aire, para encontrar su
número de Reynolds.
Ahora procedemos a utilizar las graficas del perfil para encontrar su ángulo de
instalación óptimo y su coeficiente de arrastre.
X YB YH
0.00 0.00 0.00
1.25 2.44 -1.43
2.50 3.39 -1.95
5.00 4.73 -2.49
7.50 5.76 -2.74
10.00 6.59 -2.86
15.00 7.89 -2.88
20.00 8.80 -2.74
25.00 9.41 -2.50
30.00 9.76 -2.26
40.00 9.80 -1.80
50.00 9.19 -1.40
60.00 8.14 -1.00
70.00 6.69 -0.65
80.00 4.89 -0.39
90.00 2.71 -0.22
95.00 1.47 -0.16
100.00 0.13 -0.13
Densidad(Kg/m3) 1.003
Viscosidad din 10 ^-7 172.1
Diámetro (m) 0.530
Temperatura (K) 271
Presión Local (Pa) 78000
R del aire KJ/KgK 0.287
Velocidad (ft/sec) 52.345
Numero Reynods 492756
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
37
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
38
Angulo de Ataque 2.5 °
Coeficiente de arrastre Cx 0.007
Coeficiente de Calidad de Perfil 92.857
Calculamos coeficiente
Entonces procedemos a calcular el rendimiento del rodete:
Considerando rendimiento mecánico igual al 92 % podemos calcular el rendimiento del
ventilador:
Procedemos a calcular la potencia necesaria para mover el ventilador (consideramos
acoplamiento directo con el motor)
Con lo cual seleccionamos el motor del catalogo de Siemens adjunto: De las siguientes
características:
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
39
CODIGO 25000001113
TIPO 1LA7-080-4YA60
TAMAÑO 80 M
POTENCIA 1 HP
EFICIENCIA 69.2 %
FACTOR DE SERVICIO 1.15
FACTOR DE POTENCIA 0.87
VELOCIDAD NOMINAL 1660 RPM
PESO 8.1 Kg
Los demás datos y dimensiones se pueden consultar en el anexo correspondiente a
selección del motor adjunto al documento.
VI.- SELECCIÓN DE EQUIPOS
Comprende la selección del resto de equipos necesarios para completar el ciclo de
refrigeración del refrigerante R404a
Selección de Compresor
Selección de Condensador
Selección de Válvula d Expansión Termostática
6.1.-Selección del Compresor
Al igual que las bombas, los compresores también desplazan fluidos, pero a diferencia
de las primeras que son máquinas hidráulicas, éstos son máquinas térmicas, ya que su
fluido de trabajo es compresible, sufre un cambio apreciable de densidad y,
generalmente, también de temperatura; a diferencia de los ventiladores y los sopladores,
los cuales impulsan fluidos compresibles, pero no aumentan su presión, densidad o
temperatura de manera considerable.
DATOS DE ENTRADA
temperatura de evaporación -10°C
temperatura ambiente 27°C
potencia de refrigeración 38,821 kw
Seleccionamos la serie CRL-1500 –FZ y el modelo 4h-15.2y-4p
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
40
modelo W H D agujeros de fijación
CRL-1500-FZ 1665 895 1160 1549X474
Datos técnicos del compresor:
DATOS TECNICOS
COMPRESOR
modelo 4h-15.2y-4p
suministro de energía v/3ph/50hz 380-420
minimo-maximo volts 360-440
conecciones electricas Parte de bobinado estrella Y/YY
Partición del bobinado 50%/50%
código del motor 40P
terminal box protección IP54
desplazamiento m3/h 73.7
numero de cilindros 4
carga de aceite dm3 4.0
máximo corriente de
operación amp 31
máximo consumo de potencia kw 18.1
corriente de arranque amp 81
Resistencia del cárter W/V 140/230
Peso neto kg 183
MOTOR DEL VENTILADOR
suministro de energía v/3ph/50hz 400
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
41
cantidad 2
corriente nominal /motor amp 1.8/0.95
corriente total amp 3.6/1.9
Entrada de potencia/motor watt 700/480
Entrada total de potencia watt 1400/960
salida de potencia del motor watt 450/250
velocidad RPM 1400/1000
number of blades of propeller 5
número de palas de hélice mm 500
Flujo de aire
m3/h 10300
cfm 6080
Bobina del condensador
diámetro del tubo 3/8”
número de aletas / pulgada 12
numero de filas 5
ancho con aletas
inch 56.7
mm 1440
peso de aletas
inch 33
mm 838.2
RECEPTOR DE LÍQUIDO
capacidad litros 18.4
TUBERIA DE REFRIGERANTE
diámetro de succión inch 1-5/8
mm 42
diámetro del liquido inch 7/8
mm 22
diámetro de descarga inch 1-1/8
mm 28
PESO NETO kg 350
6.2.-Selección del Condensador
Los tipos de condensadores más utilizados en una máquina frigorífica son los
siguientes:
Tubos y aletas. Se utilizan cuando se disipa el calor a una corriente de aire.
De placas. Se utilizan cuando se disipa el calor a una corriente de agua.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
42
Según recomendación de FRASCOLD podemos seleccionar el condensador con los
datos de entrada del refrigerante y la capacidad de refrigeración, y las temperaturas de
evaporación y ambiente:
refrigerante R404A
capacidad de
refrigeración 38.021KW
temperatura de
evaporación -10°C
temperatura ambiente 27°C
Luego el condensador seleccionado será:
modelo
SA 15 71 V-
Y/2
COMPRESOR
modelo V15 71 Y
potencia 15 HP
desplazamiento 84.92 m3/h
MOTOR DEL
VENTILADOR
cantidad 2
diámetro 450 mm
flujo de aire
10400 m3/h
tot
potencia 450 w
receptor 12.0 lit
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
43
6.3.-Selección de Válvula de Expansión Termostática
Este dispositivo permite mejorar la eficiencia de los sistemas de refrigeración y de aire
acondicionado, ya que regula el flujo másico del refrigerante en función de la carga
térmica. El refrigerante que ingresa al evaporador de expansión directa lo hace en estado
de mezcla líquido y vapor, ya que al salir de la válvula se produce una brusca caída de
presión producida por la "expansión directa" del líquido refrigerante, lo que provoca un
parcial cambio de estado del fluido a la entrada del evaporador. A este fenómeno
producido en válvulas se le conoce como flash-gas.
Calculamos la Variación de presión efectiva:
Capacidad de Selección:
Presión Condensador 16.67 bar
Presión Evaporador 4.75 bar
Caída presión válvula 2.00 bar
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
44
Del Catalogo de Danfoss Adjunto seleccionamos la válvula de expansión
correspondiente con las siguientes características.
Modelo TES-5
Código 3100-DA117
Orificio 04p/cuerpo 5
Conexiones Cuerpo 5/8 pulg x 7/8pulg soldar
Capacidad 36.2 Kw
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
45
VII.-BIBLIOGRAFIA
1. BOMBAS, VENTILADORES Y COMPRESORES, V. M. Chercasski, URSS 1984
2. APUNTES DE CLASE, Ventiladores y Compresores, Diseño Ventiladores Axiales
3. MANUAL PRACTICO DE VENTILACION, Salvador Escoda, 2 da Edicion 08025
Barcelona 2002
4. MANUAL PRACTICO DE VENTILACION, Soler y Palau, Ventilation Group 2012
5. INSTALACION SISTEMA DE REFRIGERACION BOHN, Boletin 430.1 Mexico 2006
6. APUNTES UNVERSIDAD CANTABRIA VENTILADORES, Pedro Fernadez Diez
7. CATALOGO EVAPORADORES UNICOM, Monclova, Mexico 2012
8. CATALOGO EVAPORADORES BOHN, Boletin 430.1 Mexico 2006
9. CATALOGO CONDENSADORES FRASCOLD, I-20027 Rescaldina (MI) Italia 2009
10. CATALOGO COMPRESORES , I-20027 Rescaldina (MI) Italia 2009
11. CATALOGO MOTORES ELECTRICOS SIEMENS, Colombia
12. CATALOGO VALVULAS DE EXPANSION TERMOSTATICAS DANFFOS, Antartic
Refrigeracion, Santiago de Chile, 2006
13. INSTRUCCIONES DE SERVICIOS, Fan Systems Witt, Transporte Utilización
mantenimiento.
14. FICHA TECNICA R404a, EURO REFRIGERANTS, gas Servei S.A.
15. CATALOGO ACCESORIOS PARA VENTILADORES ZUBEHOR, Zhihel Abegg
16. TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA, Incropera 4Ta edición ISBN 970-17-0170-4
17. OPTIMIZACION DE DISEÑOS AERODINAMICOS, Jose Luis Ramirez Herrera,
Michoacan Mexico, 2009
18. THE CHARACTERISTICS OF 78 RELATED AIRFOIL SECTION FROM TEST,
Kastman N. Jacobsm, Kenneth E Ward y Robert M Pinkerton, 1933.
19. CIENCIA DE LA CARNE. R.A. Lawrie, 1982
20. TECNOLOGIA PRACTICA D ELA CARNE. Weiling y Concellon Vol N2 1980
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DISEÑO DE EQUIPO PARA REFRIGERACION DE CARNE DE RES
46
VIII.- ANEXOS
Comprende:
Hoja de cálculo Ventiladores Axiales
Datos comparativos de perfiles NACA similares al elegido
Especificaciones Técnicas de refrigerante R404a de catalogo
Datos comparativos de evaporador sacado de catalogo
Especificaciones técnicas de compresor Sacada de catalogo
Especificaciones técnicas de condensador Sacada de catalogo
Especificaciones técnicas de válvula de expansión Seleccionada Sacada de
catalogo
Dimensiones y Especificaciones Técnicas de motor para el ventilador
Datos meteorológicos en Arequipa