Refrigeración y Aire Acondicionado “Diseño de un Sistema de Refrigeración para un Centro Comercial” Integrantes: Chanca Calderón, Hans C13 – 6 - B Carbajal Ponce, Yorh C13 – 6 - B Mamani Calisaya, Luis C13 – 6 - C Vivanco Santos, Cesar C13 – 6 - A Profesor: Héctor Zevallos Chávez
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Refrigeración y Aire Acondicionado
“Diseño de un Sistema de Refrigeración para un Centro Comercial”
Integrantes:
Chanca Calderón, Hans C13 – 6 - B
Carbajal Ponce, Yorh C13 – 6 - B
Mamani Calisaya, Luis C13 – 6 - C
Vivanco Santos, Cesar C13 – 6 - A
Profesor: Héctor Zevallos Chávez
Mantenimiento de Maquinaria de planta - PFR
Refrigeración y Aire Acondicionado
2012 – I
1. INTRODUCCION
El proyecto redactado en este documento se desarrolla a partir de la elaboración de dos cámaras de refrigeración: una cámara de conservación y otra cámara de congelación. Para el logro exitoso del proyecto realizaremos cálculos de refrigeración, diseñaremos un ejemplar de las cámaras y seleccionaremos materiales que se van a utilizar en el diseño del proyecto, todos estos requisitos que son necesarios para el desarrollo del proyecto serán desarrollados con criterios técnicos y de ingeniería que se fue adquiriendo en el transcurso de la carrera desarrollada en Tecsup.
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2. RESUMEN
El proyecto consta el realizar dos cámaras de refrigeración una de conservación y otra de congelación.
Para empezar con el desarrollo del proyecto, primero tenemos reconocer todos nuestros datos como: temperatura de refrigeración, humedad, espesor de materiales de construcción, zona de construcción de las cámaras, etc.
Segundo realizaremos los cálculos de refrigeración: cálculos de calor total de la cámara y coeficiente de performance del sistema.
Tercero seleccionaremos el refrigerante más adecuado para el sistema esto teniendo en cuenta las políticas de no utilización de sustancias que afectan el Medio Ambiente.
Cuarto seleccionaremos técnicamente todos los componentes principales y secundarios que van a ser necesarios en el sistema.
Quinto determinaremos los parámetros de operación del sistema utilizando los criterio aprendidos en Refrigeración y Aire Acondicionado.
Sexto diseñaremos un condensador de coraza y tubos utilizando criterios de diseño de maquinas y elaboración asistida por computadora.
Por último modelaremos por el software de Inventor el sistema diseñado y realizaremos el costo beneficio del proyecto.
3. OBJETIVOS
3.1. Objetivos Generales
Aplicar las leyes de la termodinámica para el cálculo de carga térmica en sistemas frigoríficos.
Relacionar conocimientos de cursos de la carrera: Mecánica de Fluidos y Termodinámica, Máquinas Térmicas, Tecnología de Materiales, Diseño Mecánico, Refrigeración y Aire Acondicionado.
3.2. Objetivos Específicos
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Calcular las cargas térmicas involucradas en la cámara de refrigeración.
Seleccionar componentes principales y secundarios del sistema de refrigeración.
Diseñar intercambiador de calor.
4. ANTECEDENTES
4.1. Carga Térmica
La carga de enfriamiento, es la cantidad de energía que se requiere vencer en un área para mantener determinadas condiciones de temperatura y humedad para una aplicación específica (ej. Confort humano)..
Las fuentes que contribuyen a la carga térmica son:
Carga de los productos: se incluyen las cargas originadas al llevar el producto, los envases y embalajes y los medios de sustentación empleados en las cámaras, a la temperatura de conservación; en el caso de la refrigeración de frutas y vegetales esta carga debe contemplar además el calor de respiración.
Carga por transferencia de calor a través de estructuras: comprende las cargas térmicas debido al calor que se transfiere desde el exterior a través de paredes, techos y pisos de las cámaras.
Carga por ventilación: se refiere a la carga térmica debida a la ventilación controlada de los productos. El almacenaje refrigerado de frutas y vegetales frescos requiere de esta ventilación para garantizar que la composición de la atmosfera del almacén no se afecte por la propia actividad metabólica de estos productos.
Carga por apertura de puertas: esta carga térmica es consecuencia de la apertura de las puertas, lo que provoca que el aire exterior penetre a la cámara.
Carga por personal: se encuentra referida al calor que aportan las personas que penetren en la cámara, resultando dependiente de la temperatura en esta y de la actividad que se realiza.
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Carga por equipos eléctricos: incluye las cargas por la iluminación así como por motores en funcionamiento dentro de la cámara, básicamente referidos a los de los evaporadores con movimiento forzado del aire.
4.2. Ciclo Básico de Refrigeración
El objetivo de los sistemas de refrigeración es retirar el calor de los productos y de otros componentes que forman parte del sistema.
Un sistema de refrigeración se emplea para mantener cierta región del espacio a una temperatura menor que la de su entorno. El fluido de trabajo puede permanecer en una sola fase (refrigeración por gas) o puede aparecer en dos fases (refrigeración por compresión de vapor). Es común asociar la refrigeración con la conservación de alimentos y acondicionamiento de aire en los edificios. No obstante, las técnicas de refrigeración se necesitan en muchas otras situaciones. Como son el empleo de combustibles líquidos para la propulsión de cohetes, el oxígeno líquido para la fabricación del acero, el nitrógeno líquido para la investigación a temperaturas bajas( criogenia), y para técnicas quirúrgicas y el gas natural licuado para transporte intercontinental son solo algunos ejemplos de los muchos que la refrigeración es esencial.
Figura1. Ciclo Básico de Refrigeración
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5. ALCANCE
El proyecto se realizará con los siguiente puntos a desarrollar:
1. Analizar las condiciones dadas:
a. Hacer un listado de los datos necesarios para el diseño de la cámara: T° de conservación, tiempo de conservación, humedad relativa, etc.
b. Realizar un esquema del sistema de refrigeración a emplear.
2. Calcular la carga térmica total de la cámara.
a. Calor por paredes, techo, piso; calor por productos, etc.
b. Determinar el Coeficiente de Performance del Sistema.
3. Seleccionar el refrigerante a utilizar, fundamentando su elección.
4. Seleccionar los componentes principales del sistema:
a. Compresor.
b. Evaporador.
c. Válvula de expansión.
5. Seleccione los elementos secundarios.
6. Determine los parámetros de operación del sistema:
a. Presión de condensador
b. Presión de regulación de cada evaporador: Pin, Pout, dif
c. Temperaturas de cámaras.
7. Diseñe el condensador de coraza y tubos
a. Parámetros de diseño.
b. Cálculos de intercambiador de calor.
c. Dimensiones de coraza, tubos, etc.
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d. Materiales y designación normalizada tanto de coraza, tubos, deflectores.
8. Modele la instalación del sistema de refrigeración.
6. DESARROLLO DEL PROYECTO
6.1. Enunciado del Problema
Se quiere diseñar un sistema de refrigeración con dos cámaras: una de baja temperatura y la otra para conservación de vegetales.
La cámara de congelación es de 10m x 8m x 4m
Diariamente se mueven 950 Kg de carne mayormente de res.
La cámara de conservación es de 9m x 5.5m x 4m. La forma de trabajo de ésta cámara es la siguiente:
Los lunes se carga de productos frescos y van extrayéndose en la misma cantidad cada día hasta agotar el stock los días domingos.
Cada lunes se recargan:
Melocotones: 3120 Kg Fresas: 3120 Kg Cerezas: 3120 Kg Frejoles Verdes (en cáscara): 3133 Kg Espinacas: 3130 Kg
Ambas cámaras estarán trabajando con un rack de compresores con la finalidad de modular el funcionamiento de los compresores ante variación de carga.
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Figura2. Rack de Compresores
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El condensador de coraza y tubos será enfriado por agua.
En la figura 3 se muestra el esquema de distribución de las cámaras: los lados Este y Sur se encuentran expuestos al sol, igualmente el techo.
La cámara estará ubicada en la zona de Lurín, al sur de Lima.
Las condiciones y/o datos no proporcionados asúmalos con criterio técnico.
Figura3. Ubicación de Cámaras
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6.2. Esquema del sistema de refrigeración
Figura 4 Esquema
6.3. Cálculo de la Carga Térmica
Todos los datos son extraídos del Anexo 1
A. Cámara de congelación
Figura 5 Àreas de Cámara de Congelaciòn
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i. Datos necesarios para el diseño
Cámara de congelaciónProducto T° de
almacenamientoHumedad Relativa
Tiempo de almacenamiento
Carne de Res (Congelada
950kg)
-24 -18°C 85-95% 3-12 Meses
ÁreaTecho(Expuesto al sol)
80 m2
Área Este(Expuesto al sol)
40 m2
Área Oeste 40 m2Área Sur 32 m2
Área Norte 32 m2Volumen 320 m3
Temperatura de la Cámara
-21°C
Material aislante Poliestireno Expandido
Material de construcción
Ladrillo hueco de 2 celdas, 6"
Material para acabados
Fieltro permeable al vapor
Material para pisos
Loseta
Carga Total de productos (Lunes)
6650 Kg
Tabla 1
Paredes expuestas al SolSuperficie de Color Ladrillo
El refrigerante elegido es el R –134a por se el menos contaminante
Ah sido utilizado en supermercados en países desarrollados para aplicaciones de refrigeración y congelamiento, en particular en unidades de condensación y plantas comerciales centralizadas.
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6.6. Selección de Componentes Principales
A. Compresor
La marca de los compresores es BITZER DE 50Hz
Cámara de Congelación Cámara de ConservaciónT. AMBIENTE 30°C T. AMBIENTE 30°C
T. DE LA CÁMARA
-21°C T. DE LA CÁMARA
0°C
T. EVAPORADOR
-31°C T. EVAPORADOR
-10°C
T. CONDENSADO
R
40°C T. CONDENSADOR
40°C
Capacidad del compresor de congelación
22051.96w Capacidad del compresor de conservación
18344.37ww
Capacidad Total 40396.33W
Tabla26
Tabla27
Cantidad de compresores = 40396.3 / 14900 = 2.7 compresores
Son 3 compresores de serie: 6F-40.2Y - Q
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B. Evaporador
El o los evaporador(es) son de la marca LU-VE
Cámara de Congelación Cámara de ConservaciónHumedad de la
Cámara90% Humedad de la
Cámara90%
T. DE LA CÁMARA
-21°C T. DE LA CÁMARA
0°C
Capacidad de congelación
22051.96w Capacidad de conservación
18344.37w
Tabla28
Evaporador de congelación
Tabla para el valor K
Tabla29
K = 6
Tabla para el valor de Factor de Corrección
Tabla30
F.C. = 0.46
Capacidadcorregida=22051.96w0.46
=47939.04w
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Tabla31
Cantidad de Evaporadores =47939.04 ww24000w
=1.99evaporadores
Son 2 Evaporadores de modelo: B3HC- 348E65
Evaporador de conservación
Tabla para el valor K
Tabla32
K = 6
Tabla para el valor de Factor de Corrección
Tabla34
F.C. = 0.56
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Capacidadcorregida=18344.37w0.56
=32757.8w
Tabla34
Cantidad de Evaporadores =32757.8w8300w
=3.95evaporadores
Son 4 Evaporadores de modelo: S2HC- 110E65
C. Válvula de Expansión
La válvula de expansión es de la marca SPORLANy son eléctricas
Cámara de Congelación Cámara de ConservaciónT. AMBIENTE 30°C T. AMBIENTE 30°C
T. DE LA CÁMARA
-21°C T. DE LA CÁMARA
0°C
T. EVAPORADOR
-31°C T. EVAPORADOR
-10°C
T. CONDENSADO
R
40°C T. CONDENSADOR
40°C
Capacidad de congelación
22051.96w Capacidad de conservación
18344.37w
Tabla35
Válvula de expansión de la cámara de congelación
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Tabla36
La válvula de expansión es: Tipo EX5 con cable conector EXV-M60
Válvula de expansión de la cámara de conservación
Tabla37
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La válvula de expansión es: Tipo EX5 con cable conector EXV-M60
6.7. Selección de Componentes Secundarios
A. Tubería
Cámara de Congelación Cámara de ConservaciónCapacidad de congelación 25641.81 kcal
hCapacidad de conservación 21330.66 kcal
hT.
EVAPORADOR-31°C T.
EVAPORADOR-10°C
Tabla38
Tubería para la cámara de congelación
Tabla39 Tuberías de Sistemas de R.
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Velocidad 1m/sDiámetro del tubo 3/4 pulg. o 5/8 pulg.Diámetro exterior 19.05mmDiámetro interior 16.92mmÁrea 2.25 cm2Volumen de flujo 0.81 m3/hora
Tubería para la cámara de conservación
Tabla40 Tuberías de Sistemas de R.
Velocidad 1m/sDiámetro del tubo 3/4 pulg. o 5/8 pulg.Diámetro exterior 19.05mmDiámetro interior 16.92mmÁrea 2.25 cm2Volumen de flujo 0.81 m3/hora
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B. Válvula solenoide
MARCA: ALCO CONTROLS
Válvula solenoide para la cámara de congelación
Tabla41 Tipo de V. Solenoide
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Tabla42 Selección Tipo de V. Solenoide
Válvula solenoide de tipo: 200 RB6 – T5
Válvula solenoide para la cámara de conservación
Tabla43 Tipo de V. Solenoide
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Tabla44 Selección Tipo de V. Solenoide
Válvula solenoide de tipo: 200 RB6 – T5
C. Presostato
MARCA: ALCO CONTROLS
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Tabla45 Seleccion de Presostato
3 Presostatos para las cámarasde tipo: PS1-A3L
D. Termostato
MARCA: REFCO
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Tabla46 Selección de Termostato
Termostato para la cámara de congelación tipo: TSC-093 Termostato para la cámara de conservación tipo: TSC-093
E. Visor
MARCA: ALCO CONTROLS
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Tabla47 Selección de Visor
Visor de la cámara de congelación es de tipo: MA 058 Visor de la cámara de conservación es de tipo: MA 058
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F. Tanque Recibidor
2 Tanques recibidores de Marca EMERSON tipo: TR-100, uno para cada máquina
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G. Filtro secador
MARCA: ALCO CONTROLS
T. EVAPORADOR
-31°C T. EVAPORADOR
-10°C
T. CONDENSADOR
40°C T. CONDENSADOR
40°C
Capacidad de congelación
22051.96w Capacidad de conservación
18344.37w
Filtro secador para la cámara de congelación
Tabla48 Factor de Filtro
Qn=Q o× K t
Qn=22051.96w×1.22
Qn=26903.39w
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Tabla49 Selección de Filtro Secador
Filtro Secador de tipo: ADK-084
Filtro secador para la cámara de conservación
Tabla50 Factor de Filtro Secador
Qn=Q o× K t
Qn=18344.37 w×1.11
Qn=20362.25w
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Tabla51Selección de Filtro Secador
Filtro Secador de tipo: ADK-083
6.8. Determinación de los Parámetros de Operación del Sistema
Parámetros de operación
Figura12 Diagrama de Moiler
Presión del condensador 10.164 bares
P ev conservación
Pin= 2 barPout= 10 barDif = 8 bar
P ev congelación
Pin= 1.2 bar
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Pout= 10 barDif = 8.8 bar
Temperatura:
Conservación = 0°CCongelación = -21°C
6.9. Diseño del Condensador de Coraza y Tubos
Datos:
Tabla52 Selección de Parámetros de Coraza
Parámetros del refrigerante
Masa del refrigerante = 0.06kg/s
Q = 11.7 Kwatts (3 compresores)
Calor especifico del agua = 4.18K Joul
kg
Tent= 30°C = 86°F
Calculando la T. salida:
Q = Ce.m.∆T
11.7Kw=4.18 K Joulkg
x0.06 kgs
x (T−86 )
Tsal=132.7 ° F
Tsal=56 °C
Calculando la transferencia térmica global:
θ1=T 2−t 1
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refrigerante Agua
T1 = 56C° t1 = 20C°
T2 = 30C° t2 = 30C°
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θ2=T 1−t 2
Figura13 Diseño de Coraza
Figura14 Diagrama de Variación de T.
∆Tlog=θ1−θ2
ln (θ1θ2
)
∆Tlog= 10−26
ln (1026
)=16℃
Coeficiente típico global de intercambiador U se tomara
U=200 Kcalm2º Ch
Calculo del área.
q=U . A .∆Tm
A=11,7 KJ
sx (3600 s
1h)
200 Kcalm2º Ch
x ( 4.184KJ1KCal )x 16 °
A=32m2
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Tabla tubos
Tabla53 Selección de Datos de la Coraza
Diámetro del tubo: D=2∈¿5.1cm Longitud de tubo: L=4m Numero de pasos: 2 Ahora hallamos la cantidad de tubos N
N= Aπ×D×L X P
N=28tubos
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6.10. Modelación de la Instalación del Sistema de Refrigeración
Figura15 Modelo del Sistema de Refrigeración
Figura16Lay Out del Centro Comercial
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7. EVALUACION DEL PROYECTO
COSTOS DE ELEMENTOS ESTRUCTURALESITEM DESCRIPCION CANTIDAD P. UNIT. TOTAL
1 Ladrillos de 6 huecos 9600 0.8 $7,680.002 Bolsas de cemento 250 10 $2,500.003 m2 de Poliuretano expandido 519 10 $5,190.004 Juego de bisagras y manija 2 105 $210.005 Fierro de 1/2" 32 34 $1,088.006 Loseta m2 130 5 $650.007 Fieltro m2 130 10 $1,300.00
TOTAL $19,068.00
COSTOS DE EQUIPOS PRINCIPALESITEM DESCRIPCION CANTIDAD P.
UNIT.TOTAL
1 Compresor semi-hermetico Marca Bitzer 6F-40.2Y - Q
3 $2,200.00
$6,600.00
2 Evaporadores de marca LU-VE de modelo: S2HC- 110E65
4 $1,500.00
$6,000.00
3 Evaporadores de marca LU-VE de modelo: B3HC- 348E65
2 $1,000.00
$2,000.00
4 Tipo EX5 con cable conector EXV-M60
2 $500.00 $1,000.00
TOTAL $15,600.00
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COSTOS DE CONDENSADORITEM DESCRIPCION CANTIDAD P.
UNIT.TOTAL
1 Plancha de fierro SAE1040 3 $30.00 $90.00
2 Tubos de ½ * 1m 28 $30.00 $840.00
3 Electrodos 10 $3 $30.00
4 Pintura acrílica balde 1 $30.00 $30.00
TOTAL $990.00
COSTOS DE COMPONENTES SECUNDARIOSITEM DESCRIPCION CANTIDAD P. UNIT. TOTAL
COSTOS GENERALESCOSTO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES $19,068.00COSTO DE EQUIPOS $15,600.00COSTO DE COMPONENTES SECUNDARIOS $1,508.00
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COSTOS DE CONDENSADOR $990.00COSTOS DE MANO DE OBRA $1,500.00
COSTOS TOTALES $38,666.00EVALUACIÒN ECONÓMICA
COSTOS GENERALESIngresos de carnes, frutas y verduras mensual (Referencia bolsa de valores)
$10,000.00
Ingresos en un año $120,000.00Costos total del proyecto $38,666.00Ingresos Netos Anuales $81,334.00Beneficio del proyecto 67.8%
El proyecto es rentable ya que la inversión va a retornar en un periodo de un año y además el beneficio es de 67.8% anual
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8. CONCLUSIONES
Los conocimientos plenos adquiridos en los cursos del transcurso de la carrera fueron primordiales e indispensables para poder resolver este proyecto de manera tecnológica y rápida.
Con los conocimientos plenos adquiridos en el curso de Refrigeración y Aire Acondicionado se pudo calcular las cargas térmicas de las cámaras de forma de forma eficiente y con criterio respaldado.
Se pudo seleccionar los componentes de las cámaras de forma técnica y eficaz, gracias a los conocimientos plenos adquiridos en el transcurso de la carrera.
Los conocimientos plenos adquiridos en los distintos cursos de diseño de la carrera fueron primordiales y de gran ayuda para poder diseñar el intercambiador de calor.
9. RECOMENDACIONES
Se debe tomar la temperatura máxima del lugar de diseño. Se debe considerar la temperatura de congelación y conservación, con
relación a la temperatura y tiempo de almacenamiento de los productos a refrigerar.
Para seleccionar los componentes se tienen que tener criterios técnicos y luego definirlos según catálogos de fabricantes.
Para seleccionar el refrigerante es necesario ver sus propiedades de contaminación ambiental y calentamiento global, según estos criterios se debe elegir el menos dañino.
Para comprar un componente se tiene que tener como mínimo tres proformas de compra, para así poder evaluar el mas rentable según criterios de garantía y servicio de mantenimiento.
Es recomendable tratar de compra la mayoría de componentes de un solo vendedor o marca.
10.BIBLIOGRAFIA
Catálogo de SPORLAN 201MS1 Anexo de Refrigeración y Aire Acondicionado – TECSUP www. ambiente.gob.ar/ozono Catálogo de ALCO CONTROLS-Componentes de sistemas de
refrigeración Guía Técnica de Iluminación Eficiente Catálogo Emerson Climate Technologies