INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO

“PROYECTO TÉRMICO DE UNA CÁMARA DE REFRIGERACIÓN

PARA LA CONGELACIÓN RÁPIDA DE PESCADO, LOCALIZADO

EN LA CIUDAD DE TAMPICO, TAMAULIPAS”

TESIS PROFESIONAL

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO MECÁNICO

PRESENTA:

OSORNIO LEÓN MISAEL POPOCATÉPETL

ASESORES:

ING. AGUSTÍN LÓPEZ MALDONADO

M. EN C. NEMESIO PANTALEÓN CHARCO

CIUDAD DE MÉXICO, MARZO DE 2017.

AUTORIZACIÓN DE USO DE OBRA

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL P r e s e n t e Bajo protesta de decir verdad el [los/la(s)] que suscribe (n) OSORNIO LEÓN MISAEL POPOCATEPETL (se anexa copia simple de identificación oficial), manifiest (o/amos) ser autor (a/es) y titular (es) de los derechos morales y patrimoniales de la obra titulada “PROYECTO TÉRMICO DE UNA CÁMARA DE REFRIGERACIÓN PARA LA CONGELACIÓN RÁPIDA DE PESCADO, LOCALIZADO EN LA CIUDAD DE TAMPICO, TAMAULIPAS” en adelante “La Tesis” y de la cual se adjunta copia, por lo que por medio del presente y con fundamento en el artículo 27 fracción II, inciso b) de la Ley Federal del Derecho de Autor, otorgo (gamos) al Instituto Politécnico Nacional, en adelante “El IPN”, autorización no exclusiva para comunicar y exhibir públicamente total o parcialmente en medios digitales EN EL REPOSITORIO INSTITUCIONAL, “La Tesis” por un periodo (de) INDEFINIDO contado a partir de la fecha de la presente autorización, dicho periodo se renovará automáticamente en caso de no dar aviso expreso a “El IPN” de su terminación. En virtud de lo anterior, “El IPN” deberá reconocer en todo momento mi (nuestra) calidad de autor (a/es) de “La Tesis”.

Adicionalmente, y en mi (nuestra) calidad de autor (a/es) y titular (es) de los derechos morales y patrimoniales de “La Tesis”, manifiest (o/amos) que la misma es original y que la presente autorización no contraviene ninguna otorgada por el [los/la(s)] suscrit [os/a(s)] respecto de “La Tesis”, por lo que deslind (o/amos) de toda responsabilidad a el “El IPN” en caso de que el contenido de “La Tesis” o la autorización concedida afecte o viole derechos autorales, industriales, secretos industriales, convenios o contratos de confidencialidad o en general cualquier derecho de propiedad intelectual de terceros y asumo (asumimos) las consecuencias legales y económicas de cualquier demanda o reclamación que puedan derivarse del caso.

Ciudad de México, 01 de Marzo de 2017.

Atentamente

OSORNIO LEÓN MISAEL POPOCATEPETL

Agradecimientos

A Dios.

Por ser mí guía y darme la oportunidad de cumplir mis metas.

A mis Asesores.

Ing. Agustín López Maldonado y al M. en C. Nemesio Pantaleón

Charco, que sin su ayuda y conocimientos no hubiese sido posible

realizar este proyecto.

A mi Madre.

Por haberme proporcionado la mejor educación. Gracias a tus

consejos, por el infinito amor que siempre me has brindado, por tu

dedicación y paciencia.

A mi Padre.

A quien le debo todo en la vida, le agradezco el cariño, la

comprensión, la paciencia y el apoyo que me brindó para culminar mi

carrera profesional.

A mis Hermanos.

Porque siempre he contado con ellos para todo, gracias por el apoyo y

amistad ¡Gracias!

A mi Esposa.

Por sus palabras y confianza, por su amor y su apoyo para realizarme

profesionalmente.

ÍNDICE

CONTENIDO PÁG.

I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA I II. OBJETIVO PARTICULAR I III. OBJETIVO GENERAL II IV. JUSTIFICACIÓN II V. INTRODUCCIÓN III

CAPÍTULO 1

GENERALIDADES

1 1.1

Antecedentes de la refrigeración

2

1.2 Conceptos básicos 7 1.3 Aplicación de la refrigeración 21 1.4 Procesos termodinámicos de la refrigeración 24 1.5 Psicrometría del aire 26

CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO 29 2.1

Diagrama de Mollier

30

2.2 Sistema de refrigeración mecánica por compresión de vapores

31

2.3 Balance térmico 43

2.4 Condiciones (parámetros) de trabajo 57

CAPÍTULO 3 INGENIERÍA DEL PROYECTO 61 3.1

Datos de diseño

62

3.2 Memoria de cálculo 66

3.3 Selección del refrigerante 91

3.4 Análisis completo del refrigerante R-507 95 3.5 Cálculo de la capacidad de los equipos 97 3.6 Selección del equipo 102 3.7 Instalación de equipos 110

ÍNDICE

CONTENIDO PÁG.

CAPÍTULO 4

PROGRAMA DE MANTENIMIENTO, SU BENEFICIO Y COSTO DEL PROYECTO

115

4.1

Tipos de mantenimiento

117

4.2 Programa por implementar 120

4.3 Beneficios técnicos y económicos 121

CONCLUSIONES 123

BIBLIOGRAFÍA 124

ANEXOS 128

I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. Las condiciones climatológicas en Tampico, Tamaulipas son que la temperatura media anual es de 24°C, siendo la máxima 36.8 °C que se registra en el mes de mayo y la mínima de 9.7°C que se registra en invierno. Por ello la temperatura juega un papel importante para la congelación del pescado que es de -17 a -23°C, ya que si es mayor tienden a multiplicarse las bacterias que se alimentan de la carne de pescado muerto, de lo contrario si se manejan las temperaturas mencionadas la acción bacteriana disminuye, conservando el producto por mucho más tiempo, y el producto mantenga sus propiedades tales como: color, sabor, apariencia y nutrientes(omega 3, vitamina a, vitamina D, sales minerales: sodio, calcio, potasio, yodo, magnesio). Otro factor a considerar del pescado es la temporada de reproducción de la especie, lo cual la ley impide la pesca durante un determinado periodo del año. Por lo tanto no existe actividad pesquera afectando así su consumo a la población. II. OBJETIVO PARTICULAR. Recopilar datos climatológicos en condiciones de verano de Tampico, Tamaulipas para el diseño de la cámara de congelación. Recopilar los datos del producto a congelar para el cálculo del balance térmico. Diseñar la cámara de congelación de manera que cumpla con las temperaturas deseadas, que para el pescado se tiene un intervalo de -17 °C a -23 °C, ya que son las necesidades requeridas para la correcta conservación del producto. Congelar 5 toneladas de pescado para satisfacer el consumo actual. Requerir un tiempo de almacenamiento de 8 a 10 meses para mantener el producto en las condiciones deseadas. Calcular la cámara para almacenar pescado en condiciones críticas, en tal caso será para verano. Evaluar los resultados obtenidos del balance térmico para seleccionar el equipo. Verificar si los equipos cumplen con los beneficios esperados para la correcta congelación.

III. OBJETIVO GENERAL. Diseñar y calcular una cámara de congelación para la conservación de pescado a una temperatura de -10°F (-23°C) con el fin de aplazar el tiempo entre 8 a 10 meses antes de su descomposición de tal manera que se lleve hasta su comercialización.

IV. JUSTIFICACIÓN. El proceso de descomposición del pescado es rápido, según información de la Asociación Nacional de Tiendas de Autoservicio y Departamentales (ANTAD) en su prontuario de pescados y mariscos, este inicia desde que el animal es capturado y muere, ya que se desencadenan una serie de cambios en su organismo como consecuencia de acciones microbiológicas, químicas y enzimáticas. El puerto de Tampico cuenta con un amplio potencial pesquero. La actividad pesquera se desarrolla a lo largo de los 473 km de litorales con que cuenta el estado. Anualmente se obtienen importantes volúmenes de captura de diversas especies, mismas que se distribuyen y comercializan en el mercado local. Por ello, desde su captura y hasta que llegan al mostrador, la manera de conservarlo es de vital importancia. Dicho lo anterior, la actividad pes quera es la más importante en el golfo de México, por lo tanto se almacenarán diferentes tipos de pescado ya que la temperatura de almacenamiento es la misma, según la ASHRAE. Además que genera empleos y contribuye a la captación de divisas por exportaciones, al desarrollo regional y al crecimiento de la infraestructura pesquera. Para estos importantes recursos marinos aplica el periodo de veda, es decir, la prohibición de pescar durante la reproducción de las especies, durante el año. El objetivo de la regulación es proteger los periodos de reproducción y recuperar la cantidad del pescado que es objeto de aprovechamiento. Las condiciones óptimas de temperatura de congelación son de -17°C a -23°C con el objeto de mantener las mejores condiciones para que cuando existan dichos periodos, la población tenga acceso al producto con el precio estandarizado. La cadena de frio nunca debe romperse durante el trayecto y comercialización porque cuando un producto se descongela y se congela nuevamente reinicia su proceso de descomposición natural.

Por tal motivo, se considera pertinente el tema para desarrollar una cámara de congelación para este producto localizado en el puerto de Tampico, a continuación se presentan las ventajas o beneficios esperados: La principal ventaja que presenta el pescado congelado es que puede conservarse en el congelador durante meses y utilizar cuando se necesite. La congelación mantiene el valor nutricional del pescado y evita el crecimiento y desarrollo de bacterias siempre que no se rompa la cadena del frio, manteniendo la temperatura constante. Conserva el alto valor biológico de sus proteínas, la cantidad de ácidos grasos insaturados, omega 3, vitaminas y minerales. V. INTRODUCCIÓN. La comercialización del pescado forma parte de una actividad económica muy importante según informes de la PROFECO, pues su conservación ha sido por mucho un problema que ha llamado la atención desde hace tiempo, para mantener al pescado en condiciones óptimas se debe refrigerar a temperaturas menores que 0°C, ya que de no hacerse correctamente el proceso de congelación el producto además de perder sus propiedades también se deteriora en poco tiempo. Este proyecto constituye fundamentalmente la metodología y la memoria de cálculo sobre el diseño de un frigorífico. Basándose desde los principios básicos de la refrigeración hasta la aplicación de nuevas técnicas en el diseño de estos espacios. En el primer capítulo se muestran las generalidades que abarcan temas como antecedentes históricos, conceptos básicos de termodinámica y aterrizándolo a la refrigeración, tales como sus clasificaciones, rangos de temperatura para la producción del frio, etc. En el segundo capítulo se mencionan las propiedades y características del producto, con el objeto de mantener estas en un tiempo de 8 a 10 meses con su correcta congelación. Para llevar a cabo la congelación se hace uso del sistema de refrigeración por compresión de vapor, de tal manera que se estudiará el funcionamiento básico de dicho sistema y los componentes que lo conforman. Finalmente se hará mención de las ecuaciones básicas para el desarrollo del balance térmico y los parámetros para la correcta selección de equipos y que sirva como base para los cálculos que se harán en capítulos subsecuentes. En el tercer capítulo se mencionan las condiciones de diseño y se realiza el cálculo de la carga térmica, así como los factores que intervienen en el cálculo de

la cámara de congelación como: el aislamiento térmico, coeficiente de película, dimensiones de la cámara, área de los muros, volumen de la cámara, carga generada por conceptos de infiltración, producto, transmisión a través de paredes, ocupantes, equipo y alumbrado. De esta manera se obtiene la carga térmica total, necesaria para seleccionar los equipos de refrigeración para la cámara de congelación. Se hacen recomendaciones de instalación de los equipos para obtener una eficiencia a la hora de congelar el producto, así mismo se hace un presupuesto de la instalación con todos los componentes que integran el sistema, tanto materiales de construcción como los transmisores de calor, evaporador y unidad condensadora; además el regulador llamado válvula de expansión termostática. Finalmente en el cuarto capítulo se hace una propuesta de mantenimiento preventivo para llevar a cabo el buen funcionamiento de los componentes que requieren mayor inspección y que se programa en periodos de semana, mes, trimestre y semestre.

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CAPÍTULO 1 GENERALIDADES

2

En este capítulo se iniciaremos con un repaso de conceptos básicos de termodinámica. El estudio cuidadoso de estos conceptos es esencial para lograr una buena comprensión del tema tratado en este proyecto y así evitar malas interpretaciones en los subsecuentes capítulos. 1.1 Antecedentes de la refrigeración. Desde hace mucho tiempo, el hombre ha tratado de dar aplicaciones al fenómeno natural de enfriamiento. Se tiene conocimiento que en la antigua china, hubo emperadores que mandaban traer nieve a las montañas para mitigar el calor a base de bebidas enfriadas con esta nieve. El arte de la refrigeración basado en el hielo natural es muy antiguo y se practicó mucho antes de construirse cualquier máquina térmica. Hay escritos chinos, anteriores al primer milenio a. J.C. que describen ceremonias religiosas para llenar en invierno y vaciar en verano sótanos de hielo. Los antiguos romanos utilizaban el hielo de los Apeninos, y según Las mil y una noche, en la Edad Media caravanas de camellos transportaban hielo desde el Líbano a los palacios de los califas en Damasco y Bagdad. (Véase Figura 1.1)

Figura 1.1 Técnica de la refrigeración en la antigüedad para enfriar bebidas y mitigar el calor [11].

Los griegos y los romanos comprimían la nieve en pozos aislados con pasto, paja y ramas de árboles. La nieve comprimida se convertía en hielo para ser usado en épocas de mayor calor. Esta práctica la describe Peclet (identificación 34) y ha llegado hasta casi mediados del siglo XX en algunas zonas rurales catalanas, donde existían los llamados pous de glaç. Estos pozos se construían en laderas umbrías de los montes, de forma cónica con la base en la superficie y con un pozuelo en el fondo separado por una rejilla y en forma que se pudiese recoger y verte fuera el agua producida por la fusión de hielo. A medida que se iba echando la nieve o el hielo en estos pozos, se rociaban con agua helada y, una vez llenos, se cubrían su boca con paja y tablas que aislaban el hielo del calor exterior; así conservaban hielo preparado en invierno. (Véase Figura 1.2)

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Figura 1.2 Método de conservación del hielo antiguamente utilizando la paja como aislante [12].

Otros escritos antiguos describen cómo los egipcios, hindúes y otros pueblos, empleaban procedimientos para producir hielo artificialmente, en general parecidos en sus principios. Se llenaban con agua vasijas poco profundas de arcilla porosa u otro material análogo y se colocaban sobre gruesos lechos de paja durante la noche. Si las condiciones atmosféricas eran favorables: frío, aire seco y una noche sin nubes, la pérdida de calor, debida a la evaporación nocturna, originaba la formación de finas capas de hielo en la superficie. La paja impedía la conducción del calor desde la tierra más caliente y la forma de las vasijas, poco profundas y de una gran superficie, facilitaba la evaporación y la pérdida de calor por radiación. Asimismo, hasta mediados del siglo XIX existían navieras especializadas que transportaban miles de toneladas de hielo de Suecia y de los Grandes Lagos de EE.UU.A y Canadá a las Indias orientales, Australia, las Antillas y América del Sur. Los antiguos egipcios encontraron que el agua se podría enfriar, colocándola en jarras porosas en la parte superior de los techos, la brisa nocturna evaporada que se filtraba a través de las jarras, hacía que el agua que contenía se enfriara. La gente fue aprendiendo a enfriar las bebidas y los alimentos, pensando simplemente en hacerlos más agradables. La utilización de los procesos químicos mediante mezclas refrigerantes se puede considerar como una etapa intermedia entre el frio natural y el frio artificial, y desde la antigüedad se conocía que añadiendo ciertas sales, como por ejemplo el nitrato sódico, al agua se consigue disminuir su temperatura. En 1553 un médico español, aposentado en Roma, Blas Villafranca se ocupaba, del enfriamiento del agua y el vino por medio de mezclas refrigerantes, nombrando por primera vez la palabra refrigerar en el sentido de lograr y

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mantener una temperatura inferior a la del ambiente. En 1607 se descubrió que podía utilizarse una mezcla de agua con sal para congelar el agua. (Véase Figura 1.3)

Figura 1.3 Primer sistema de refrigeración por absorción usando amoniaco gaseoso disuelto en agua desarrollado por Ferdinand Carré de Francia en 1859 [13].

En el siglo XVII, las mezclas refrigerantes son utilizadas en la investigación científica por Robert Boyle y por el astrónomo físico francés Philippe Laire más tarde, en el siglo XVIII, numerosos físicos y químicos emplean mezclas refrigerantes en el laboratorio. Destaca en su estudio Antoine Baumé, farmacéutico y catedrático del Collége de Pharmacie de París desde 1758, y miembro de la Academia de Ciencias desde 1771, que inventó la escala de areómetro de su nombre, en 1760; e investigó sobre la fabricación de porcelana. También fundó industrias para producir cloruro amónico y acetato de plomo, y preparó fórmulas magistrales conocidas. En sus escritos expone, además, que sobre la misma época, formó hielo artificial gracias a que el ether expuesto al aire se evapora con la mayor prontitud y produce al evaporarse un frío muy sensible en el cuerpo que se evapora. Estas mezclas permitieron experimentos a bajas temperaturas y así, en 1715, utilizando una mezcla de nieve y nitrato amónico, Fahrenheit establecía el cero de su termómetro; en 1760 von Braun congeló el mercurio a -40°C, etc. En el siglo XIX numerosos científicos como: von Karsten en 1840, Hanemann en 1864, Rüdorff en 1869, Pfandler en 1875 y Brendel en 1892 estudiaron las leyes que rigen las mezclas frigoríficas, y las mezclas de hielo y sal común, que permiten disminuir la temperatura hasta -20°C, se emplearon corrientemente para congelar productos alimenticios, y todavía en 1904, Emilio Carbonell y en 1912, José Gres, registraron patentes españolas de mezclas refrigerantes para conservar alimentos. Estos métodos sin embargo, son discontinuos y de capacidad muy limitada, por lo que no se puede hablar de refrigeración hasta la invención de los métodos continuos, de dos tipos básicos: consumidores de trabajo y consumidores de calor. (Véase Figura 1.4)

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Figura 1.4 En 1940 se impulsa el refrigerador domestico por absorción. [14]. La refrigeración mecánica, es decir producida consumiendo trabajo con una máquina funcionando continuamente, se obtuvo por diversos caminos pero todos basándose en la expansión de un fluido, que puede efectuarse sin cambio de fase (despresurización de un gas) o, lo más frecuente, con cambio de fase (evaporación de un líquido), que a su vez se haya recalentado a la presión atmosférica o menor. A pesar de que los primeros intentos de obtener frío mecánico fueron por evaporación de un líquido volátil, la primera máquina realmente operativa fue de expansión de aire. Por este motivo se denomina máquina frigorífica de compresión En la literatura anglosajona, la primicia de la obtención de frío por evaporación se adjudica a William Cullen (Hamilton 1712 - Glasgow 1790), hijo de un abogado, que recibió una educación científica tan avanzada como lo permitía la época, en la Universidad de Glasgow y en el Colegio de Médicos y Cirujanos en Glasgow. Hacia 1750 se interesó en el fenómeno de la evaporación de líquidos y realizó muchas experiencias en las que hervía líquidos bajo vacío, usando la mejor bomba de vacío que pudo obtener; así observó que, independientemente de las condiciones ambientales, se podía producir hielo mecánicamente, evaporando líquidos volátiles. En un experimento hecho con éter nitroso, cuando el calor del aire estaba alrededor de los 43°F, colocamos la vasija que contenía éter dentro de otra, un poco mayor, que contenía agua. Después de hacer vacío y que las vasijas hubieran permanecido unos minutos en el mismo, encontramos la mayor parte del agua congelada y que la vasija que contenía éter estaba rodeada de una gruesa y firme capa de hielo. Sin embargo, Cullen no exploto su descubrimiento ni construyo máquinas para elaborar hielo, a pesar de poseer éter nitroso que, en un vacío elevado, herviría a una temperatura suficientemente baja como para congelar el agua, y disponer de la bomba con la que podían hacer vacío continuamente.

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Se hicieron otros descubrimientos en la misma línea; y así, alrededor de 1761, Joseph Black, alumno de Cullen, desarrolló su la teoría del calor latente de fusión y evaporación, que, además de su importancia en el desarrollo de la teoría del calórico, clarificó el papel desempeñado por el calor en los cambios de estado de la materia. Pocos años después, en 1744, Priestley descubrió el amoníaco y el dióxido de carbono, que mostraron poseer propiedades termodinámicas convenientes para serusados en refrigeración. Es notable que tanto Black como Priestley fueran amigos de James Watt, el hombre que tanto contribuyó al desarrollo de la 1ª máquina térmica, la de vapor. Según las fuentes anglosajonas, que no citan a Frobenius ni a Beaume, años más tarde, en 1777, otro médico ingles Edward Gerald Nairne quien también destacó en el estudio de fenómenos eléctricos, publicando obras sobre electricidad como descripción de la máquina eléctrica, 1787, mejoró el aparato de Cullen añadiendo un pequeño recipiente con ácido sulfúrico dentro de la campana de vacío, para absorber vapor de agua y acelerar el proceso. Sucesivas mejoras de este dispositivo fueron realizadas en 1810 por Sir John Leslie y en 1824 por John Vallance. Ninguno de estos aparatos pasó de la etapa de laboratorio, y hasta 1866 no se consiguió un aparato de uso comercial con este sistema, el que patentó Edmond Carré, cuyo hermano mayor Ferdinand inventó la máquina de absorción. Edmond Carré hizo práctica su máquina moviendo el ácido sulfúrico por medio de un brazo conectado al émbolo de la bomba de vacío, que estaba accionada a mano. Con esto conseguía evitar la dilución superficial del ácido y aumentar la absorción. El aparato se empleaba para enfriar garrafas de agua; el cuello de la garrafa se adaptaba al tubo de aspiración de la bomba, en 2 o 3 minutos la temperatura del agua descendía de 30°C a 0°C y llegaba a congelarse completamente de 20 a 25 minutos. El éxito de este aparato, en el ámbito doméstico y de restauración, fue muy grande. Todos los intentos que siguieron utilizando este sistema, para conseguir, una máquina de mayor tamaño y funcionamiento no intermitente, tuvieron escaso éxito y hubo que esperar hasta 1909, cuando Maurice Leblanc utilizó la evaporación del agua a baja presión como procedimiento de refrigeración en las máquinas con eyectores de vapor. Sin embargo, no se reconoce un solo nombre la paternidad de la refrigeración en la medida en que se le reconoce a Watt la de la máquina de vapor, aunque Oliver Evans, el americano que desarrolló la máquina de vapor de alta presión, fue quizá el primero en proponer el uso de ciclos cerrados en refrigeración; su idea la sugirió en un tratado aparecido en Filadelfia en 1805, en la que describe un ciclo de refrigeración por compresión y evaporación de éter etílico. Sin embargo sus ideas no culminaron de forma práctica. Fue otro ingeniero, proveniente del campo de los generadores de vapor quien inventó el primer sistema de compresión de vapor, usando vapor condensable, al igual que Cullen y Beaumé, como medio refrigerante. El ingeniero americano Jacob Perkins que

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había inventado los tubos de agua para generador de vapor que actualmente llevan el nombre de Field, inventó la máquina destinada a ser la base de la actual industria de la refrigeración. (Véase Figura 1.5)

Figura 1.5 Actualmente la refrigeración ha evolucionado, por su importancia en las necesidades

de alimentación y confort del ser humano. [15].

1.2. Conceptos básicos. En este apartado se constituye una base sólida para el desarrollo del proyecto y evita posibles malas interpretaciones. Este capítulo inicia con conceptos fundamentales como: termodinámica, la presión así como la energía. Posteriormente se hará especial énfasis en la refrigeración. Termodinámica. Es una ciencia que comprende el estudio de las transformaciones energéticas y las relaciones entre propiedades físicas de las sustancias afectadas por dichas transformaciones. La ingeniería termodinámica ha abarcado el estudio en campos como: procesos de refrigeración, acondicionamiento del aire, los expansores y compresores de los fluidos, los motores de combustión de aviación y los cohetes, los procesos químicos en las refinerías de petróleo y la combustión de combustibles hidrocarbonados. Las propiedades termodinámicas y las relaciones energéticas se estudia por dos métodos, la termodinámica clásica (estudios llevados a cabo en las partículas individuales), y la termodinámica estadística (estudio de grandes grupos de partículas). Ley cero de la termodinámica Cuando los sistemas están en equilibrio mutuo, comparten una determinada propiedad que se puede medir, y se le puede asignar un valor numérico definido. Una consecuencia de ese hecho es el principio térmico de la termodinámica, que afirma, que si dos sistemas distintos están en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibro térmico entre sí. Esta propiedad compartida en el equilibrio es la temperatura. (Véase Figura 1.6)

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Figura 1.6 Partículas de un fluido que la entrar en contacto con un tercero: a) gas a temperatura

baja, con una energía cinética reducida, b) gas a temperatura alta, con una energía cinética elevada, c) los gases se mezclan, ahora ambos tienen la misma energía cinética y la misma

temperatura, por tanto se dice que es un sistema en equilibrio [16]. Primera ley de la termodinámica Es la ley de la conservación de la energía, afirma que, la energía no se crea ni se destruye solo se transforma. Siendo entonces, la cantidad de energía transferida a un sistema en forma de calor más la cantidad de energía transferida en forma de trabajo sobre el sistema debe ser igual al aumento de la energía interna del sistema. El calor y el trabajo son mecanismos por los que los sistemas intercambian energía entre sí. Segunda ley de la termodinámica. La segunda ley de la termodinámica da una definición precisa de una propiedad llamada entropía. La entropía se puede considerar como una medida de lo próximo o que no se halla en un sistema de equilibrio; también se puede considerar como una medida del desorden del sistema. La segunda ley afirma que la entropía, es decir, el desorden de un sistema aislado nunca puede decrecer. Por tanto cuando un sistema aislado alcanza una configuración de máxima entropía, ya no puede experimentar cambios; ha alcanzado el equilibrio. La naturaleza parece preferir el desorden y el caos. El segundo principio implica que si no se realiza trabajo, es imposible transferir calor desde una región de temperatura más baja a una región de temperatura más alta. Esto afirma que la energía tiene calidad así como cantidad, y los procesos reales ocurren hacia donde disminuye la calidad de la energía. Enunciado de kelvin-Planck. El enunciado de kelvin-Planck de la segunda ley de la termodinámica establece que:

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“Es imposible que un dispositivo que opera en un ciclo reciba calor de un solo depósito y produzca una cantidad neta de trabajo”. Es decir una maquina térmica debe intercambiar calor con sumidero de baja temperatura así como en una fuente de temperatura alta para seguir funcionado. También se puede expresar como: ninguna maquina térmica puede tener una eficiencia térmica de 100 por ciento. Enunciado de Clausius. El Enunciado de Clausius está relacionado con refrigeradores o bombas de calor, se expresa: “Es imposible construir un dispositivo que opere en un ciclo sin que se produzca ningún otro efecto que la transferencia de calor de un cuerpo de menor temperatura a otro de mayor temperatura”. Por lo que se sabe que el calor no transfiere de un medio frio a uno más caliente. El enunciado de Clausius no significa que sea imposible construir un dispositivo cíclico que transfiera calor de un medio frio a uno más caliente, de hecho es precisamente lo que hace un refrigerador no puede operar a menos que su compresor sea propulsado mediante una fuente de energía externa, como un motor eléctrico. (Véase Figura 1.7)

Figura 1.7 El calor siempre fluye de la temperatura de la fuente mas caliente a la fría, nunca en

sentido contrario [17]. Energía. Es la capacidad que posee la materia para producir calor, trabajo en forma de movimiento. Por materia se entiende cualquier cuerpo sólido, liquido, y gaseoso existente. La energía puede expresarse de una forma a otra pero su cantidad total permanece constante, es decir, la energía no se crea ni se destruye. La energía puede existir en varias formas posibles: térmica, mecánica, cinética, potencial, magnética, química y nuclear.

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a) Energía térmica. La energía térmica o energía calorífica es la que poseen los cuerpos debido al movimiento de las partículas que los forman. La energía térmica que posee un cuerpo no se puede medir y tampoco calcular, puesto que es imposible conocer los detalles del movimiento de cada una de la inmensa cantidad de partículas que forman un cuerpo. Sin embargo, las partículas que forman un cuerpo están relacionadas con su temperatura. b) Energía mecánica. Es la forma de energía que puede convertir completamente en trabajo mecánico de modo directo mediante un dispositivo mecánico, como una turbina. c) Energía cinética. Se denomina energía cinética o de velocidad o de movimiento a la energía que proviene de los cuerpos en movimiento, o de las partes que constituyen a los mismos llamadas moléculas. d) Energía potencial. Por energía potencial o de posición se entiende aquella energía que poseen los cuerpos cuando se encuentran en reposo; es la energía almacenada en la materia. Fuerza. Es todo aquello que tenga tendencia a iniciar el movimiento de un cuerpo, hacer que cede dicho movimiento o cambie de dirección. También puede cambiar de tamaño o de forma de un cuerpo. La fuerza más conocida es el peso. El peso es una medida de la fuerza que ejerce la atracción de la gravedad sobre el mismo. Presión. Es la fuerza ejercida por unidad de área. Se puede describir como la medida de la intensidad de la fuerza con respecto a un punto cualquiera sobre una superficie de contacto. a) Presión atmosférica. La atmosfera alrededor de la tierra, que está compuesta de gases como el oxígeno y nitrógeno, se extiende muchos kilómetros sobre la superficie. El peso de esta atmosfera sobre la tierra crea la presión atmosférica. En un punto dado,

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la presión atmosférica es relativamente constante excepto por pequeños cambios debido a las diferentes condiciones atmosféricas. Con el objeto de estandarizar y tener como referencia básica para su comparación, la presión atmosférica al nivel del mar ha sido universalmente aceptada y establecida a 1.03 kilógramos por centímetro cuadrado. En alturas sobre el nivel del mar, la altitud de la capa atmosférica que existe sobre la tierra es menor y por lo tanto la presión atmosférica disminuye. b) Presión manométrica. La presión manométrica es la que encuadra un fluido dentro de un recipiente o la diferencia de presión entre la absoluta de un fluido y la presión atmosférica. c) Presión absoluta. Se entiende como la presión total o real de un fluido, y esta se da por la suma de presión atmosférica más la presión manométrica. (Véase Figura 1.8)

Figura 1.8 Escala de presiones, donde la suma de la presión atmosférica y manométrica resulta la presión absoluta [18].

Estado termodinámico. Condición particular de un sistema en un instante dado; lo cual se define por los valores de sus propiedades termodinámicas (presión, volumen, temperatura), por lo tanto es un punto en un espacio tridimensional, donde se requieren de dos variables independientes y una dependiente. Proceso termodinámico. Se sabe que hubo un “proceso” cuando lo valores de las propiedades cambiaron. Es decir, es un cambio de estado.

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Ciclo termodinámico. Sucesión de procesos termodinámicos a que se somete un fluido al final de los cuales este vuelve a sus condiciones iniciales. Ciclo de Carnot. La máquina térmica teórica que opera en el ciclo de Carnot, cuyo ciclo se supone de cuatro procesos reversibles, expansión y compresión isotérmica reversible, expansión y compresión adiabáticos reversible, en la que es posible llevar a cabo llevar a cabo en un sistema cerrado o de flujo estacionario. El trabajo neto, y por tanto, la eficiencia del ciclo, se puede maximizar mediante procesos que requieren la mínima cantidad de trabajo y entregan lo mas posible, es decir mediante procesos reversibles. En la práctica no es posible lograr ciclos reversibles porque no pueden eliminar las irreversibilidades relacionadas con cada proceso. Sin embargo, los ciclos reversibles proporcionan límites superiores al desempeño de los ciclos reales. Las máquinas térmicas y los refrigeradores que funcionan en los ciclos reversibles sirven como modelos con los cuales se pueden comparar las maquinas térmicas y los refrigeradores reales. Los ciclos reversibles también sirven como puntos de partida en el desarrollo de ciclos reales y se modifican según sea necesario para satisfacer ciertos requerimientos. Trabajo. El trabajo es el resultado del valor de una fuerza, aplicada sobre un cuerpo, por el valor del espacio recorrido por dicho cuerpo. Para que exista el trabajo debe cumplirse necesariamente con la condición de desplazamiento. Además, existirá trabajo siempre que una fuerza desplace su punto de aplicación. El trabajo se relaciona también con la energía, puesto que ésta es la capacidad que posee la materia de producir trabajo. Calor. Es el mecanismo de transferencia de energía a través de los límites de un sistema cuando existe un diferencial de temperatura, siempre de la fuente de mayor energía al lado de la baja. a) Calor especifico. El calor específico es la cantidad de calor requerido para cambiar la temperatura de la unidad de masa del material cualesquiera en un grado.

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b) Calor sensible. El calor que puede sentirse o medirse se llama calor sensible. Este es el calor que causa un cambio en la temperatura de una sustancia, pero no un cambio de su estado. c) Calor latente. El calor latente es el que se necesita para cambiar de fase una sustancia sin variar su temperatura, o sea que el calor requerido para cambiar el estado de una sustancia no es percibido por los sentidos. d) Calor latente de fusión. Bajo un cambio de estado, la mayoría de las sustancias tendrá un punto de fusión en el cual, cambiaran en un sólido a un líquido sin ningún cambio de temperatura. En este punto, si la sustancia está en un estado líquido y se le retira calor de ella (congelación), la sustancia se solidifica sin un cambio de temperatura. e) Calor latente de evaporación. Para cambiar una sustancia de líquido a vapor y de vapor a líquido se requiere calor latente de evaporación. Puesto que la ebullición es solo un proceso de aceleración de la evaporación, este es el calor latente de evaporación o para el proceso contrario, calor latente de condensación. La absorción de calor para cambiar un líquido a vapor y la sustracción de este calor para condensar nuevamente el vapor, es la clave para todo el proceso de la refrigeración mecánica y la transmisión de calor latente requerido, es el instrumento básico de la refrigeración. f) Calor latente de sublimación. El proceso de sublimación es el cambio directo de un sólido a un vapor sin pasar por el estado líquido, el calor latente de sublimación es igual a la suma del calor latente de fusión y el calor latente de evaporación. (Véase Figura 1.9)

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Figura 1.9 Calor en sus diferentes estados [19]. Transferencia de calor. Es el estudio de calor de como fluye el calor y de los procedimientos para calcular el régimen de transferencia de calor, este se realiza de tres formas posibles: conducción, convección y radiación. (Véase Figura 1.10)

Figura 1.10 Mecanismos de la transferencia de calor [20].

a) Conducción. La conducción es el fenómeno consistente en la propagación de calor entre dos cuerpos o partes de un mismo cuerpo a diferente temperatura debido a la agitación térmica de las moléculas, no existiendo un desplazamiento real de estas. (Véase Figura 1.11)

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Figura 1.11 Conducción en paredes donde el calor fluye de la fuente caliente a la fría [21].

b) Convección. La convección es la transmisión de calor por movimiento real de las moléculas de una sustancia. Este fenómeno sólo podrá producirse en fluidos en los que por movimiento natural (diferencia de densidades) o circulación forzada (con la ayuda de ventiladores, bombas, etc.) puedan las partículas desplazarse transportando el calor sin interrumpir la continuidad física del cuerpo. (Véase Figura 1.12)

Figura 1.12 Si existe una diferencia de temperaturas en el interior de un fluido, se producirá un movimiento del fluido y este transfiere calor de una parte de fluido a otro [22].

c) Radiación. La radiación a la transmisión de calor entre dos cuerpos los cuales, en un instante dado, tienen temperaturas distintas, sin que entre ellos exista contacto ni conexión por otro sólido conductor. Es una forma de emisión de ondas electromagnéticas (asociaciones de campos eléctricos y magnéticos que se propagan a la velocidad de la luz) que emana todo cuerpo que esté a mayor temperatura que el cero absoluto. El ejemplo perfecto de este fenómeno es el planeta Tierra. Los rayos solares atraviesan la atmósfera sin calentarla y se transforman en calor en el momento en que entran en contacto con la tierra.

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Entropía. Es la función de estado que mide el desorden de un sistema físico o químico, y por lo tanto a su proximidad al equilibrio térmico. El orden de un cuerpo puede aumentar, pero a condición de que la cantidad de desorden a su alrededor aumente en una cantidad mayor. En cualquier transformación que se produce en un sistema aislado, la entropía del mismo aumenta o permanece constante, pero nunca disminuye. Así cuando un sistema aislado alcanza una configuración de entropía máxima ya no puede experimentar cambios se dice que ha alcanzado el equilibrio. Entalpía. Es una propiedad calculable de la materia que muchas veces ha sido definida como "calor total". Más específicamente la entalpía de una masa dada de un material a una propiedad termodinámica conocida, es la suma de todas las energías suministradas a la misma para mantenerla en su condición actual con respecto a una condición inicial conocida arbitrariamente como punto de entalpía cero. Volumen. Es la cantidad de espacio que ocupa una sustancia. Es una magnitud física extensiva que informa sobre la extensión de los cuerpos físicos, se mide en metros cúbicos en SI. a) Volumen específico. El volumen específico de un sistema es el volumen ocupado por la masa unitaria del sistema, se considera como el recíproco de la densidad por ser una propiedad intensiva puede variar de un punto a otro. Temperatura. La temperatura es una magnitud física que se refiere a la sensación al tocar alguna sustancia o cuerpo, es una medida del nivel de actividad térmica en un cuerpo. La temperatura depende de la concentración de BTU en un cuerpo. Refrigeración. La refrigeración es la transferencia de calor de un lugar donde no se desea a otro donde no importa cederlo. Es decir es la técnica para la remoción de calor de un cuerpo o sustancia para llevarlo a una temperatura menor. Refrigerante. Un refrigerante es un producto químico líquido o gaseoso, fácilmente licuable, que se utiliza como medio de transmisor de calor entre otros dos en una maquia

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térmica. Los principales usos son los refrigeradores y los acondicionadores de aire. De manera general, un refrigerante es cualquier cuerpo o sustancia que actué como agente de enfriamiento, absorbiendo calor de otro cuerpo o sustancia. Desde el punto de vista de la refrigeración mecánica por evaporación de un líquido y la compresión de vapor, se puede definir al refrigerante como el medio para transportar calor desde donde lo absorbe por ebullición, a baja temperatura y presión, hasta donde lo rechaza al condensarse a alta temperatura y presión. El principio de funcionamiento de algunos sistemas de refrigeración se basa en un ciclo de refrigeración por compresión, que tiene algunas similitudes con el ciclo de Carnot y utiliza refrigerantes como fluido de trabajo. Su aplicación es muy fuerte en el área industrial y de investigación, también desarrollándose en áreas comerciales. Este proceso trata de preservar los productos alimenticios en condiciones muy críticas. a) Propiedades físicas y química. ~ No debe ser tóxicos ni venenosos ~ No debe ser explosivo ni inflamable ~ No debe tener efecto sobre otros materiales ~ Fácil de detectar cuando se fuga ~ Debe ser miscible con el aceite ~ No debe reaccionar con la humedad ~ Debe ser compuesto estable Fácilmente se comprende que ninguno de los refrigerantes conocidos reúne todas estas cualidades; es decir, no existe un refrigerante ideal, por lo que, en base a un balance térmico, deberá seleccionarse el que reúna el mayor número de estas características de acuerdo al diseño requerido. b) Características de los refrigerantes. ~ Punto de congelación. Debe ser inferior a cualquier temperatura que existe en el sistema, para evitar congelamientos en el evaporador. ~ Calor específico. Debe de ser lo más alto posible para que en una pequeña cantidad de líquido absorba una gran cantidad de calor. ~ Volumen específico. Debe de ser lo más bajo posible para evitar grandes tamaños en las líneas de aspiración y compresión. ~ Densidad. Debe de ser elevadas para usar líneas de líquidos pequeñas. ~ La temperatura de condensación a la presión máxima de trabajo debe de ser la menor posible. ~ La temperatura de ebullición, relativamente baja a presiones cercanas a la atmosférica.

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~ Punto crítico lo más elevado posible. ~ No debe ser líquidos inflamables, corrosivos ni tóxicos. ~ Dado que deben interaccionar con el lubricante del compresor, deben ser miscibles en fase liquida y no nociva con el aceite. ~ Los refrigerantes, se aprovechan en muchos sistemas para refrigerar también el motor de compresor, normalmente un motor eléctrico, por lo que deben ser dieléctricos, es decir, tener una baja conductividad eléctrica. c) Tipos. Por su composición química. ~ Los inorgánicos, como el agua o el NH3: Amoníaco ~ Los de origen orgánico (hidrocarburos y derivados): Los CFC's, Clorofluorocarbonos, perjudiciales para la capa de ozono. Los HCFC's, Hidroclorofluorocarbonados. Los HC, Hidrocarburos (alcanos y alquenos) Las mezclas, azeotrópicas o no azeotrópicas d) Por su función. ~ Primario: si es el agente transmisor en el sistema frigorífico, y por lo tanto realiza un intercambio térmico principalmente en forma de calor latente ~ Secundario: Realiza un papel de intercambio térmico intermedio entre el refrigerante primario y el medio exterior. Realiza el intercambio principalmente en forma de calor sensible Refrigerantes comúnmente usados. ~ El agua ~ El amoníaco o R-717 ~ El glicol ~ R-11 ~ R-12 ~ R-22 ~ R-23 ~ R-32 ~ R-123 ~ R-124 ~ R-134a ~ R-502 ~ R-407C ~ R-410A ~ R-507 ~ R-517

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e) Ventajas y desventajas operacionales de algunos refrigerantes. Refrigerante R-12 (CCl2F2). Es seguro, no toxico, no inflamable y no explosivo. Es muy estable y no se descompone aún bajo condiciones extremas de operación. Sin embargo si se pone en contacto con una flama abierta se descompone en productos muy tóxicos. Tiene presiones de condensación moderadas bajo condiciones atmosféricas normales y una temperatura de ebullición -29.4 oC a la presión atmosférica lo cual lo hace útil para todo tipo de aplicaciones. Por el deterioro de la capa de ozono su uso ya no es permitido. Refrigerante R-22 (CHCIF2). Se desarrolló para aplicaciones de temperatura bajas, ya que tiene una temperatura de ebullición de -40.8°C. Debido a que tiene un desplazamiento menor en el compresor se utiliza muchas veces en lugar del R-12. Presiones de operación mayores que para R-12 así como también la temperatura de descarga del compresor. Por el deterioro de la capa de ozono su uso ya no es permitido. Refrigerante R-114 (C2f4Cl2). Tiene un punto de ebullición de 3.56 oC a condiciones atmosféricas, bajas presiones de operación. Muy seguro y muy estable. Se usa generalmente con compresores centrífugos en grandes instalaciones por el deterioro de la capa de ozono su uso ya no es permitido. Refrigerante R-717 (NH3). Aunque el amoniaco es toxico, inflamable y explosivo bajo ciertas condiciones, sus propiedades térmicas lo hacen insustituible en plantas de hielo, plantas empacadoras y grandes bodegas frigoríficas en donde se cuente con personal capacitado. El amoniaco tiene un punto de ebullición a presión atmosférica de -33.34 oC. Aunque el amoníaco no es corrosivo a todos los metales comunes, en presencia de humedad corroe a los metales no ferrosos tales como el cobre y sus aleaciones. Refrigerante R-134a (C2H2F4). Este refrigerante es similar termodinámicamente al R-12 pero no contiene cloro y por lo tanto no daña la capa de ozono, su desventaja más evidente es su alto costo comparado con el amoniaco. Los hidrocarburos propano (R-290) e isbotuna (R-600a) han sido usados y fuera del peligro de flamabilidad tiene excelentes propiedades que los hacen candidatos a sustituir a los CFC. A continuación se presenta en la Tabla 1.1 el comportamiento de los refrigerantes más comerciales y en la Figura 1.13 se representa los refrigerantes en su forma comercial para su venta.

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Tabla 1.1 Comportamiento de los refrigerantes más usados.

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Figura 1.13 Existen en el mercado distintos tipos de refrigerantes para aplicaciones diferentes.

Tonelada de refrigeración. Se define como la cantidad de calor suministrado para fundir una tonelada de hielo en 24 horas, esto es basado en el concepto del calor latente de fusión, pues el calor latente de fusión de una libra de hielo es de 144 BTU/lb, por tanto el calor latente de una tonelada es decir de 2000 lb seria 144 BTU/lbx día x 2000 lb, es de 288 000 BTU/ día, por lo tanto el calor latente de una tonelada de refrigeración en horas. [1]

(

)

Coeficiente de desempeño. El coeficiente de desempeño de un sistema de refrigeración se define como la relación del calor absorbido por el refrigerante mientras pasa por el evaporador con respecto a la entrada de trabajo requerido para comprimir el refrigerante en el compresor, es decir, es la relación entre el calor extraído y el trabajo realizado. 1.3 Aplicación de la refrigeración. La Refrigeración es una técnica que se ha desarrollado como resultado de las necesidades que la misma sociedad, contribuyendo a elevar el nivel de vida de las personas. La base sobre la que se fabrican nuevas sustancias y materiales la suministra la ciencia, siendo un tema muy interesante la selección de los refrigerantes, por dos razones principales: en primer lugar, los parámetros de operación que alcanza cada uno de ellos, esto es: presión y temperatura de evaporación y condensación y en segundo lugar la contribución a la destrucción de la capa de Ozono logrando aumentar el calentamiento global. Las aplicaciones de la Refrigeración son muy numerosas, siendo una de las más comunes la conservación de alimentos, acondicionamiento ambiental,

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enfriamiento de equipos y últimamente en los desarrollos tecnológicos de avanzada en el área de los ordenadores. A continuación se presentarán conceptos básicos y los aspectos más destacados en la aplicación de los sistemas de Refrigeración que existen. Refrigeración doméstica. El campo de la refrigeración doméstica está limitado principalmente a refrigeradores y congeladores caseros (Véase Figura 1.14). Las unidades domésticas generalmente son de tamaño pequeño teniendo en cuenta que tienen capacidades de potencia de 0.05 y 0.5 hp.

Figura 1.14 Refrigeración doméstica [24].

Refrigeración comercial. La refrigeración comercial se refiere al diseño, instalación y mantenimiento de unidades de refrigeración del tipo que se tienen en establecimientos comerciales para su venta al menudeo, restaurantes hoteles e instituciones que se dedican al almacenamiento, exhibición, procesamientos y a la distribución de artículos de comercio perecederos de todos tipos (Véase Figura 1.15).

Figura 1.15 Refrigeración Comercial [25].

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Refrigeración industrial. A menudo es confundida con la refrigeración comercial por que la división entre estas dos áreas no está claramente definida. Como regla general, las aplicaciones industriales son más grandes en tamaño que las aplicaciones comerciales, y la característica que las distingue es que se requiere de un empleado para su servicio, que por lo general es un ingeniero. Algunas aplicaciones industriales típicas son plantas de hielo, grandes plantas empacadoras de alimentos, cervecerías, lechería y plantas industriales tales como refinerías de petróleo, plantas químicas, etc. (Véase Figura 1.16).

Figura 1.16 Refrigeración Industrial [26].

Refrigeración marina. La refrigeración marina se refiere a la realizada a bordo de embarcaciones de transporte y cargamento, sujeto a deterioro así como la refrigeración de los almacenes de barco. Aire acondicionado. Es la técnica para controlar los factores que afectan las condiciones físicas y químicas de la atmósfera dentro de cualquier espacio destinado a ocuparse por personas para comodidad o bien para realizar procesos industriales. Los sistemas de refrigeración son parte fundamental para los proyectos de acondicionar espacios con aire frío (Véase Figura 1.17).

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Figura 1.17 Equipos de aire acondicionado [27].

1.4 Procesos termodinámicos de la refrigeración. La refrigeración es una rama de la termodinámica que trata del proceso de reducir y mantener la temperatura más baja que de su alrededor que puede ser un espacio, sustancia o producto. La finalidad de la refrigeración moderna es muy variable y va desde conservar un producto, hasta congelarlo. Enfriamiento. Los sistemas de enfriamiento operan normalmente con temperaturas que van desde los 15 °C a los 2 °C, aun cuando en algunos casos existen una disminución de temperaturas hasta los 0°C, en este proceso nunca se presenta cambio de estado en la sustancia que se maneja y solamente se elimina calor sensible. Su aplicación es muy amplia y se utiliza en productos que no requieren conservación y la temperatura que se encuentra son solo para efectos de gusto (Véase Figura 1.18). Por ejemplo: ~ Enfriadores de bebidas ~ Enfriadores de lácteos ~ Sistemas de aire acondicionado

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Figura 1.18 El enfriamiento para productos lácteos [28].

Refrigeración. Los niveles de temperatura de este proceso comprenden valores ligeramente inferiores a los 0 y -18 °C aproximadamente. En este proceso sí existe cambio físico y lógicamente la eliminación de calor latente. Este proceso se utiliza para la conservación de productos llevando a cabo los procedimientos adecuados, se pueden mantener estos productos de dos semanas hasta un mes aproximadamente. Es utilizado ampliamente en instalaciones domésticas, comerciales e incluso de investigación (Véase Figura 1.19).

Figura 1.19 Refrigeración para conservación de alimentos [29]. Congelación. Este proceso opera entre -18 °C a -40 °C y en este proceso no existe cambio de estado ya que se elimina calor sensible. Su principal aplicación es el área comercial, industrial y de investigación. El periodo de conservación va desde un mes hasta un año, dependiendo del producto y que procesamientos se emplea (Véase Figura 1.20).

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Figura 1.20 Congelación de algunos alimentos para su conservación [30).

Criogenia. Es un proceso que opera desde -40 °C a valores cercanos del cero absoluto. Esto implica el cambio de estado físico en la sustancia si esta líquido o contiene agua para enfriarlo posteriormente. Su aplicación es muy grande en el área industrial y de investigación, pero hoy también desarrollándose en áreas comerciales. Este proceso trata de la preservación de los productos alimenticios en su característica o condición muy crítica (Véase Figura 1.21).

Figura 1.21 La criogenización en el área de investigación [31].

1.5 Psicrometría del aíre. Psicrometría es una rama de la ciencia por la cual se estudian las propiedades termodinámicas del aire húmedo y del efecto de la humedad atmosférica en los materiales y en la comodidad humana.

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Este aire, conocido como aire húmedo, está constituido por una mezcla de aire seco y vapor de agua, el aire seco es una mezcla de varios gases. Su composición general es la siguiente: • Nitrógeno: 77% • Oxigeno: 22% • Dióxido de carbono y otros gases: 1% En relación con su temperatura, el aire tiene la propiedad de retener cierta cantidad de vapor de agua. A menor temperatura, menor cantidad de vapor, y a la inversa: a mayor temperatura, mayor cantidad de vapor de agua, si se mantiene éste a presión atmosférica constante. También se considera que es un método para controlar las propiedades térmicas del aire húmedo. Se representa mediante un diagrama psicrométrico. La psicrometría se encarga de analizar las propiedades termodinámicas del aire, el uso de esas propiedades y condiciones para la transferencia de calor del mismo. Usos Es útil para la conservación de alimentos en cámaras frigoríficas, climatización de locales, procesos de secado y fabricación de medicamentos. Carta psicrométrica. Es un diagrama en el que se relacionan múltiples parámetros referentes a una mezcla de aire húmedo (Véase Figura 1.22). ~ Temperatura de bulbo seco ~ Temperatura de bulbo húmedo ~ Temperatura de rocío ~ Humedad absoluta ~ Porcentaje de humedad relativa ~ Volumen específico ~ Entalpía o calor sensible ~ Entalpía o calor latente ~ Entalpía o calor total Los valores del diagrama no son constantes. Varían según Ia altura sobre el nivel del mar.

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Figura 1.22 Parámetros de la psicrometría del aire. Cambio en la condición del aire. Hay cinco procesos posibles: 1. Procesos de calor sensible constante (indicados por una temperatura de bulbo seco constante). 2. Proceso de calor latente constante (indicados por un contenido de humedad constante y una temperatura de punto de rocío constante). 3. Proceso de entalpía constante o adiabáticos (indicados por una temperatura de bulbo húmedo constante). 4. Proceso de humedad relativa constante (todos los demás factores varían). 5. Finalmente, una modificación que representa una combinación cualquiera de los anteriores que no proceden a lo largo de ninguna de las líneas de procesos anteriores.

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CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO

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El método más utilizado para producir refrigeración mecánica se conoce como el sistema mecánico de refrigeración por compresión de vapor. En este capítulo se explica cómo se obtiene la refrigeración por este método, y cuál es el equipo necesario para llevarlo a cabo. Además se analizarán las condiciones del lugar y las propiedades del producto. 2.1 Diagrama de Mollier. Todos los refrigerantes tienen tabuladas sus propiedades en función de la temperatura, presión y volumen. Además se han diseñado herramientas de ayuda para facilitar el entendimiento y el cálculo del comportamiento de ellos durante los cambios de estado en cualquier condición que se encuentren a través del sistema de refrigeración. Para ello se necesitan conocer la presión o la temperatura si el gas está en cambio de fase, o conocer presión y temperatura si es un gas sobrecalentado. El gráfico de Mollier es una ayuda de gran valor tanto para calcular como para visualizar un proceso, así como analizar un problema en cualquier equipo que se esté diagnosticando. Es importante destacar que la comparación entre gráficos de distintos gases, permite apreciar las diferentes presiones y temperaturas de operación que se lograrán en un mismo sistema si se efectúa una sustitución de refrigerantes. El diagrama de Mollier, es una gráfica o una carta semi logarítmica en el plano Presión-Entalpía de los estados posibles de un compuesto químico especialmente para los gases refrigerantes y es en ella donde se trazan y suele estudiar los distintos sistemas frigoríficos de refrigeración por compresión. a) Descripción. Básicamente el diagrama está compuesto por dos ejes principales y tres zonas delimitadas por una curva de saturación. En el eje de las ordenadas se registra el valor de presión en (Bar), para diagramas P-H en SI, eje graduado en la escala logarítmica. En el eje de las abscisas de registran el valor de entalpía en unidad de masa:

Una curva de saturación con forma de "U' invertida la cual determina si el compuesto se encuentra en el estado de: liquido subenfriado, líquido saturado, mezcla líquido-vapor, vapor saturado o vapor sobrecalentado.

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A continuación se muestra el diagrama de Mollier para el refrigerante R-22. El gráfico tiene en su ordenada la presión absoluta a escala logarítmica y en la coordenada abscisa la entalpía a escala lineal. (Véase Figura 2.1)

Figura 2.1 Diagrama de Mollier [32].

2.2 Sistema de refrigeración mecánica por compresión de vapores. Los sistemas de refrigeración se diseñan y adecuan a la labor que debe de desempeñar y normalmente se forman por: compresor, condensador, evaporador, válvula de expansión. Por su estudio el sistema de refrigeración se divide en dos partes: lado de baja presión, que se compone por el evaporador y la válvula de expansión de baja capacidad de presión. En el lado de alta presión se compone por el compresor, condensador y válvula de expansión de alta capacidad de presión, que se explican a continuación.

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Ciclo básico de la refrigeración. El método más usado para producir refrigeración mecánica se conoce como el sistema de refrigeración por compresión de vapor (Véase Figura 2.2). El sistema de refrigeración consiste básicamente en cuatro equipos indispensable para obtener un ciclo cerrado. 1. Compresor 2. Condensador 3. Evaporador 4. Válvula de expansión Funcionamiento del ciclo básico de la refrigeración.

Figura 2.2 Diagrama del ciclo básico de la refrigeración.

El refrigerante es el medio de transporte para extraer la energía en forma de calor desde el evaporador, y en el condensador donde será desechado el calor hacia el medio de condensación. Un cambio de estado de líquido a vapor y viceversa permite al refrigerante absorber y descargar grandes cantidades de calor en forma repetitiva. Existen dos presiones en el sistema mecánico de refrigeración, que son la presión de evaporación de baja presión del sistema y la presión de condensación a alta presión del sistema. El refrigerante líquido es alimentado a la válvula de expansión a alta presión, en el cual lleva a cabo un proceso isotérmico esta válvula separa los lados de alta y baja presión.

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La válvula de expansión mediante un proceso isotérmico provoca una caída de presión, esto provoca a su vez que el refrigerante, que antes se encontraba en estado líquido reduzca su temperatura y la presión. El refrigerante en estas condiciones entra al evaporador _donde debido a su nueva temperatura que es baja, va absorbiendo calor y llega a su estado de vapor saturado, el cual desarrolla un proceso isobárico. El calor fluye a través de las tuberías del evaporador hacia el refrigerante, esta absorción del calor por el refrigerante continúa hasta que al salir del evaporador donde tiene una característica de vapor por cierto grado de sobrecalentamiento. Una vez que se ha absorbido calor en el evaporador, el vapor refrigerante fluye a través de la línea de succión hacia la entrada del compresor. El compresor mediante un proceso isotrópico toma el vapor de baj a presión y la comprime aumentando tanto su presión como su temperatura hasta superar la del medio de condensación, esto con el fin de que haya transferencia de calor de él vapor comprimido hacia el medio de condensación. El vapor caliente y de alta presión es bombeado fuera del compresor hacia el condensador. El condensador es un intercambiador de calor en el cual se enfría el vapor que viene del compresor. Conforme la temperatura del vapor refrigerante alcanza la temperatura de saturación correspondiente a la alta presión del condensador, el vapor se condensa es decir se vuelve líquido y fluye a la válvula de expansión para comenzar nuevamente el ciclo (Véase Figura 2.3).

Figura 2.3 Ciclo termodinámico básico de la refrigeración.

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A continuación se muestran los estados termodinámicos que se realiza en el ciclo: 1-2 Proceso de evaporación isobárico. 2-3 Proceso de compresión isotrópico. 3-4 Proceso de condensación isobárico. 4-1 Proceso de expansión isotérmico. Refrigeración directa. Cualquier superficie de transferencia de calor dentro de la cual un líquido volátil (refrigerante) es expandido y evaporado a fin de producir un efecto de enfriamiento se le llama evaporador de expansión directa y al líquido así evaporado es conocido como refrigerante de expansión directa. Un sistema de refrigeración de expansión directa es aquel en el cual el evaporador del sistema emplea un refrigerante de expansión directa, y este se encuentra en contacto directo con el espacio o con el material que está siendo refrigerado, o está localizado en ductos de aire que dan servicio a dichos espacios (Véase Figura 2.4). Por lo tanto se pueden decir que un sistema de refrigeración directo posee las siguientes características: ~ El evaporador va colocado precisamente dentro del espacio a enfriar. ~ La refrigeración útil se lleva a cabo en el evaporador. ~ El sistema opera con un solo refrigerante. ~ Posee dos transmisores de calor (evaporador y condensador).

Figura 2.4 Diagrama de un ciclo de refrigeración directo.

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Refrigeración indirecta. Con frecuencia resulta inconveniente o antieconómico circular un refrigerante en- expansión directa al área o áreas donde se requiere enfriamiento. Para tales casos se emplea un sistema de refrigeración indirecto que es una modificación al sistema de refrigeración directo. El agua o salmuera (o algún otro líquido apropiado) es enfriado por un refrigerante de expansión directa en un enfriador de líquido y después es bombeado a través de tuberías apropiadas hacia el espacio o producto por refrigerar. Por lo tanto se puede decir que un sistema de refrigeración indirecto tiene las siguientes características: ~ El evaporador va colocado dentro de un tanque perfectamente aislado térmicamente el cual a su vez contiene una solución salina llamada salmuera que es la que circula por el espacio o cuerpo a enfriar. ~ El sistema opera con dos refrigerantes, un refrigerante primario en cargado de enfriar al refrigerante secundario y este último tiene como finalidad llevar a cabo la conservación del producto, sustancia o espacio. ~ Funciona con 3 transmisores de calor, evaporador, condensador y un tercer transmisor que puede ser el espacio. A través de muchos años, varios ingenieros en base a su experiencia han propuesto estándares de temperatura para cálculos en la práctica, estas temperaturas tienen los siguientes rangos: El refrigerante secundario debe tener una diferencia de temperatura, entre la entrada y la salida del transmisor de calor secundario, de 10°F para sistemas de mediana capacidad y de 15°F para sistemas de alta capacidad, La temperatura requerida primaria o temperatura de diseño del producto deberá estar entre 5°F y 6°F arriba de la temperatura de salida del refrigerante secundario en el transmisor de calor secundario, (Véase Figura 2.5).

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Figura 2.5 Diagrama de un ciclo de refrigeración indirecta que utiliza aire como refrigerante secundario.

Ciclo de refrigeración por absorción. Este método se utiliza principalmente para enfriar el agua destinada a los fines del aire acondicionado, pero tiene, asimismo, aplicaciones en la refrigeración industrial (Véase figura 2.6).

Figura 2.6 Refrigeración industrial por absorción [40].

La refrigeración útil se logra de la misma manera en el sistema de compresión de vapores así como el de absorción. Esto es por la evaporación de un líquido en un evaporador, utilizando el calor latente de vaporización para obtener un efecto de enfriamiento.

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Ambos sistemas utilizan, un condensador para remover el calor del vapor refrigerante a una alta presión y regresarlo a su estado líquido original, en ambos utiliza un dispositivo de control de flujo o de expansión. Los sistemas difieren en cuanto a los medios utilizados para recuperar el refrigerante evaporado y aumentar su presión. En el sistema de compresión de vapor se utiliza la energía mecánica para accionar el compresor. La operación del compresor mantiene la baja presión del evaporador y la eleva, asimismo, la presión en el lado de alta. En el sistema de absorción se utiliza la energía calorífica, para elevar la presión del refrigerante. La baja presión del evaporador se mantiene, mediante el uso de otra sustancia llamada absorbente, donde tienen dos componentes, el absorbedor y el generador, llenan una función semejante a la del compresor, además, utiliza a menudo componentes auxiliares como las bombas. Una razón por la que el sistema de absorción es popular y versátil, está en la operación directa con la energía calorífica. En cualquier lugar en donde se disponga de vapor residual, agua caliente o gases de combustión, se toma en consideración la refrigeración por absorción. Es importante comprender el proceso de absorción, ya que son esenciales para la comprensión del sistema. Los absorbentes pueden ser sólidos, líquidos o gases. En la refrigeración por absorción, el absorbente es un líquido, y la otra sustancia que sirve como el refrigerante del sistema, se encuentra en estado gaseoso (de vapor), cuando es absorbida. Se utilizan sustancias como el agua y el amoníaco. El agua es el absorbente y el amoníaco el refrigerante. En los sistemas de refrigeración, la mezcla de las dos_ sustancias normalmente se encuentra en estado líquido. Cuando la porción del absorbente en la mezcla es elevada y la porción del refrigerante es baja, a la solución se le llama solución concentrada o fuerte, y cuando la porción del absorbente es baja y la del refrigerante es elevada, se le llama solución diluida o débil. Una solución más concentrada puede absorber una mayor cantidad de refrigerante, con mayor rapidez, también una solución puede absorber solo una cantidad máxima de refrigerante pero cuando se diluye demasiado, ya no es capaz de absorber más refrigerante. a. Desarrollo del ciclo termodinámico. El refrigerante líquido a alta presión que proviene del condensador que pasa a través de una válvula de expansión la cual reduce su presión al nivel de baja presión para pasar por el evaporador donde gana calor a cierta temperatura, el vapor de baja presión resultante entra al absorbedor donde es absorbido por una solución débil proveniente del generador a través de una válvula de expansión y formando una solución fuerte, durante este proceso pierde una cantidad de calor a

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cierta temperatura. La solución fuerte es bombeada al nivel de presión alto para entrar en el generador donde el refrigerante será separado del absorbente al aplicar un calor, la solución débil será enviada de regreso al absorbedor pasando por la válvula de expansión para disminuir su presión al nivel bajo; por otro lado el gas refrigerante a presión y temperatura altas es enviado al condensador donde perderá calor y el refrigerante al ser condensado es enviado nuevamente a través de la válvula de expansión para hacer nuevamente el ciclo. (Véase Figura 2.7).

Figura 2.7 Diagrama del ciclo de la refrigeración por absorción [41].

Componentes de la refrigeración por compresión de vapores. El equipo de refrigeración por compresión de vapores, comprende de un compresor de gas movido de un motor eléctrico, un intercambiador de calor generalmente en forma de zigzag llamado condensador, un evaporador en de forma de serpentín y una válvula de expansión, todos interconectados formando un circuito cerrado. En el interior se introduce el gas refrigerante por medio de una válvula. El compresor y el condensador están fuera de la cámara frigorífica mientras que la válvula de expansión y el evaporador dentro de la cámara. A continuación se explican brevemente los equipos conformados en el ciclo de refrigeración: Condensador. El objeto del condensador en el sistema de refrigeración es remover calor del vapor refrigerante que sale del compresor, de manera que el refrigerante se condense en su estado líquido. Entonces este será capaz de lograr un efecto de refrigeración por evaporación.

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El condensador es un cambiador de calor, lo mismo que el evaporador. En el condensador, el calor se transfiere del refrigerante a un medio de enfriamiento, ya sea el aire o el agua. Como sucede en cualquier transferencia de calor, el medio enfriador debe de estar a una temperatura más baja que el refrigerante. El refrigerante siempre sale del compresor a una temperatura muy superior a su temperatura de saturación (de condensación); esto es, se halla sobrecalentado. En la primera parte del condensador tiene lugar la remoción de calor sensible (el vapor se enfría hasta su temperatura de saturación). A continuación la remoción adicional del calor condensa gradualmente el refrigerante (se remueve el calor latente). El tamaño del condensador puede ser justamente el adecuado para que el refrigerante salga del condensador como un líquido saturado a su temperatura de condensación. Sin embargo, en la mayoría de los casos, la superficie de transferencia de calor del condensador es suficiente para que el refrigerante liquido se subenfría por debajo de su temperatura de saturación, antes de salir del condensador (Véase Figura 2.8).

Figura 2.8 Condensador utilizado en el sistema de refrigeración.

Evaporador. El evaporador constituye un equipo conocido como cambiador de calor, tiene como objetivo proveer una transferencia continua y eficiente de calor desde el medio que se desea enfriar, al fluido refrigerante. El medio que se desea enfriar puede ser un gas, un líquido o un sólido. El aire y el agua son sustancias que comúnmente se enfrían con los evaporadores. En los evaporadores más comunes el refrigerante fluye por los tubos, mientras que el aire que se desea enfriar fluye por el exterior de los mismos. A estos tubos, construidos a menudo en forma de serpentines, se les llama la superficie de transferencia de calor. No obstante, es

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preciso enterarse de que existen muchas otras construcciones de evaporadores y que el método de transferencia de calor es el mismo en todos ellos. El refrigerante entra a la tubería del evaporador a baja temperatura y baja presión, como resultado de la expansión que experimenta al pasar a través del dispositivo de control de flujo (Válvula de expansión), una pequeña porción del refrigerante se evapora debido a la caída de presión. La temperatura del refrigerante se controla aun valor deseado, por debajo de aquel al que se desea enfriar. Debido a que el aire se encuentra a una temperatura más elevada que la del refrigerante, el calor fluye desde este aire, a través de la superficie de transferencia de calor del evaporador, hasta llegar al refrigerante. El refrigerante líquido que entra en el evaporador está a su temperatura de saturación (ebullición), y el calor que gana hace que se evapore a través del evaporador. En este dispositivo se lleva a cabo la refrigeración útil. Se muestra en la Figura 2.9

Figura 2.9 Evaporador para la extracción del calor.

Compresor. La principal función de un compresor de refrigeración es aumentar la presión de evaporización, hasta la presión a la cual el gas puede ser condensado. La elevada presión de descarga proporciona la energía necesaria para hacer que el refrigerante circule a través de la tubería y el equipo, venciendo la resistencia de fricción. Además, el gran diferencial de presión creado motiva la expansión en el dispositivo de control de flujo (Válvula de expansión), causando una caída de temperatura (Véase Figura 2.10).

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Figura 2.10 Compresor para la circulación del refrigerante.

Válvula de expansión. El dispositivo de control de flujo debe realizar dos funciones en un sistema de compresión de vapor: » Debe regular el flujo de refrigerante líquido que se alimenta al evaporador, según sea la demanda. » Debe crear una caída de presión, desde el lado de alta al lado de baja del sistema. Esta caída de presión da por resultado la expansión del refrigerante que fluye, haciendo que una pequeña cantidad del mismo se evapore, de manera que se enfrié hasta la temperatura de evaporación. En la mayoría de los casos, el dispositivo de control de flujo debe de alimentar al evaporador de refrigerante líquido en la misma proporción en el que el compresor lo bombea desde el evaporador. Esto es, el evaporador no debe sobrealimentarse ni sub alimentarse. El dispositivo de control de flujo debe reaccionar ante un cambio en las condiciones, las que requieren a su vez un cambio en el flujo. Cuando aumenta la carga térmica en el evaporador, el dispositivo de control de flujo debe de reaccionar y alimentar más refrigerante, y debe de reducir el flujo cuando disminuye la carga (Véase Figura 2.11).

Figura 2.11 Válvula de expansión donde se crea la caída de presión [45].

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Diagrama de flujo operativo.

Figura 2.12 Flujo operativo del sistema de refrigeración mecánica de compresión de vapores.

Tal y como se muestra en la Figura 2.12, el ciclo termodinámico para un refrigerante dentro del sistema de refrigeración mecánica por compresión de vapores se presenta cuatro procesos distintos con sus respectivos equipos, estos son: ~ Evaporación: El refrigerante se evapora completamente, absorbiendo el calor del medio a enfriar. ~ Compresión: El compresor comprime el refrigerante elevando su presión desde baja presión hasta una alta presión. La temperatura del refrigerante también aumenta.

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~ Condensación: En el condensador el refrigerante en estado vapor se enfría y se condensa pasando esté en estado líquido y se sub enfría. ~ Expansión: El refrigerante en estado líquido se expande, bajando su presión desde alta presión hasta baja presión, disminuyendo a su vez la temperatura. Una parte del líquido se transforma en vapor. 2.3 Balance térmico. La cantidad neta de calor que se retira se le llama carga térmica, para poder determinar la capacidad del equipo que se necesita, se debe realizar un balance térmico al que se refiere al desarrollo de cálculos con el objeto de conocer la cantidad de calor que se debe absorber o transferir en el evaporador, para que un producto, sustancia o espacio descienda su temperatura con ciertas condiciones. La carga térmica que se da en un espacio por refrigerar raras veces se da por un solo concepto; si no que es el resultado de varios de estos: » Carga térmica generada por producto. » Carga térmica generada por la transmisión de calor por paredes. » Carga térmica generada por alumbrado y equipo. » Carga térmica generada por infiltración. » Carga térmica generada por ocupantes. » Carga térmica generada por radiación solar. Cada una de estas componentes se examina la ganancia de calor, como se calcula y como se determina la carga térmica de estas para la cual se debe de calcular porque es la base para seleccionar el equipo de enfriamiento adecuado, así como las tuberías y los ductos. Carga térmica generada por producto. Al producto es a quien se le debe retirar calor principalmente para que una determinada sustancia o espacio se mantenga dentro de ciertas condiciones de temperatura y humedad. Las frutas, vegetales o cualquier producto desprenden determinadas cantidades de calor durante su vida, además de introducirlas a un espacio refrigerado, se toma en cuenta que estas se encuentran a una temperatura ambiente o un poco más alta que esta, la cual da como resultado realizar el abatimiento de su temperatura, hasta llegar a un rango de temperatura para su conservación. El producto puede ser, no solamente la sustancia que hay que conservar, si no también algunos otros materiales que complementan la función de contener y manejar el producto. Para poder calcular la cantidad de calor es necesario conocer la temperatura a la que se requiere mantener el producto o espacio.

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Para poder determinar la carga por producto se considera lo siguiente: » Tipo de proceso a realizar (enfriamiento, refrigeración, congelación o criogenia). » Tipo de calor a eliminar (calor sensible, calor latente o ambos). a. Calor sensible. Cantidad de calor que hay que eliminar para bajar la temperatura de un producto sin cambiarlo de estado físico. Este parámetro se puede determinar de la siguiente manera:

Dónde: qA = Calor sensible arriba del punto de congelación; [BTU] qB = Calor sensible abajo del punto de congelación; [BTU] m = Cantidad de masa de producto; [lb]

CPB = Calor específico abajo del punto de congelación;

CPA = Calor específico arriba del punto de congelación;

T = Diferencia de temperaturas entre la inicial y final del producto; [°F] Variación de la temperatura sin que haya un cambio de estado físico (Calor sensible). Se ilustra en la Figura 2.13.

Figura 2.13 Gráfica de calor sensible [46].

T

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b. Calor latente. Cantidad de calor que se necesita para que el producto pase a su punto de congelación. En los líquidos existe un cambio de estado físico cuando paso a su estado sólido. La ecuación que define el calor latente es:

Dónde: qL = Calor latente de fusión o cambio de estado; [BTU] m = Cantidad de masa de producto para el cambio de estado; [lb]

hL = Calor latente de fusión del producto;

La temperatura se mantiene constante y hay un cambio de estado físico. (Véase Figura 2.14).

Figura 2.14 Gráfica de calor latente [47].

Existen ocasiones en donde se necesita eliminar calor sensible y calor latente al mismo, (Véase Figura 2.15) por la que de esta combinación el resultado será de acuerdo con la ecuación:

Dónde: -QpR = Es el calor total del producto; [BTU] qSA = Es la cantidad de calor sensible arriba del punto de congelación; [BTU] qSB = Esla cantidad de calor sensible abajo del punto de congelación; [BTU] qL = Calor latente de fusión o cambio de estado; [BTU]

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Figura 2.15 Representación gráfica de la eliminación de calor latente y calor sensible en un mismo proceso [48].

Carga térmica generado por transmisión a través de paredes. En el caso particular de la refrigeración, las paredes deben llevar una capa de aislante térmico de 2 a 3 pulgadas de espesor, las cuales deben tener un bajo coeficiente de conductividad térmica. Todo elemento que separa a las masas de fluidos a diferentes temperaturas está sujeto a un paso de calor que va desde el más caliente hacia el más frío y si el medio que los separa es de material homogéneo, la temperatura va descendiendo en el interior de dicho elemento según una recta (Véase Figura 2.16).

Figura 2.16 Transmisión de calor a través de una pared [49].

La cantidad de calor que fluye a través de una pared de espesor "e" y compuesta de un solo material, se calcula de la siguiente manera.

47

Dónde:

El coeficiente específico de conductividad térmica es numéricamente igual a la cantidad de calor que pasa por una placa de material considerado de 1 ft2 de sección por una pulgada de espesor cuando existe un 1 °F de diferencia de temperatura entre sus 2 caras en 1 hora. En el caso del cálculo de la temperatura del subsuelo, la temperatura exterior no será la misma, por lo tanto se deberá calcular por medio de una media aritmética de la siguiente forma:

Dónde: TSub = Temperatura del suelo; [°F] Text =Temperatura exterior; [°F] Tint =Temperatura interior; [°F] Con este conocimiento se podrá calcular la cantidad de calor que se transmite o fluye a través de las paredes compuestas de un solo material. Conductancia de la capa superficial del aire (película de aire). La transferencia de calor a través de cualquier material está relacionada con la resistencia superficial del aire al flujo de calor y está, se determina según el tipo de superficie (rugosa o lisa), su posición (vertical u horizontal) y la intensidad de flujo de aire sobre la superficie. La conductancia de la capa superficial del aire se designa normalmente con la letra f2 para las superficies interiores y f1 para las exteriores, se expresa en:

48

» Sistema internacional:

» Sistema inglés:

Resulta bastante aproximado para la mayoría de los cálculos tomar el valor de 1.65 para f2, para paredes interiores casi sin movimiento de aire, y f1=6 para paredes expuestas a vi hasta 24 km / h o en su defecto calcular dicha conductancia de las siguientes expresiones:

Dónde:

a. Cálculo de la cantidad de calor que se transmite a través de una pared compuesta por varios materiales. En la Figura 2.17, se muestra la transferencia de calor a través una pared compuesta por varios materiales.

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Figura 2.17 Transmisión de calor a través de una pared compuesta [50].

Coeficiente de conductividad térmica total. La siguiente expresión permite el cálculo de la cantidad de calor que se transmite a través de una pared compuesta de dos o más materiales y que separan a dos fluidos que se encuentran a diferente temperatura.

50

Cálculo de la carga térmica generada por el alumbrado y equipo. a. Carga térmica generada por el alumbrado. En los sistemas de refrigeración existen equipos eléctricos de alumbrado que ceden energía calorífica al medio enfriado en el momento de operar, La cantidad de calor que estos equipos ceden se obtiene directamente de la potencia eléctrica con la potencia térmica, esto es:

Todos los sistemas de iluminación, ya sea incandescentes o fluorescentes básicamente, transforman la energía eléctrica que reciben, para su operación en calor (Véase Tabla 2.1); el cual desprende en su totalidad y se disipa en el interior del espacio que se desea refrigerar, por lo tanto, el siguiente modelo matemático nos permite calcular la ganancia de calor generado por alumbrado.

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Tabla 2.1 Ganancias debidas al alumbrado.

Dónde:

b. Carga térmica generada por equipo. Todas las máquinas son accionadas por motores eléctricos que emplean parte de su energía consumida en vencer rozamientos que a su vez se transforman en calor. El calor cedido al espacio con los motores y sus máquinas conducidas afectan a dicho medio de tres maneras: El primero: Si el motor y la máquina se encuentran en el interior del espacio enfriado, el calor cedido será igual al de la siguiente expresión:

Segundo: Si el motor esta fuera del espacio y la máquina en el interior del espacio, el calor desarrollado está dado por la siguiente expresión:

Tercero: Si el motor está dentro del espacio y la máquina accionada por él esta fuera, el calor desarrollado está dada por:

52

Dónde:

Cálculo de la carga térmica generada por el concepto de infiltración. El concepto de infiltración representa una transmisión de calor originado por la entrada de aire exterior (a la temperatura del medio ambiente) al interior del espacio refrigerado. Esta carga térmica es ocasionada en el momento de apertura de las puertas, ventanas u otro medio que influya en la comunicación con el exterior. El procedimiento de cálculo para este punto se basa en considerar que el aire interior del espacio se cambiara un determinado número de veces por hora, a esto se le llama número de cambios de aire (CA) y se maneja en un intervalo de una hora. El número de cambios está en función directa del volumen total del espacio refrigerado por lo tanto distinguiremos dos grupos: ~ Espacios con volúmenes altos (más de 200 ft3) ~ Espacio con volúmenes bajos (menos de 200 ft3) Cuando se trata de volúmenes bajos, la cantidad de calor por este concepto se determina de la siguiente manera: a. Método por aperturas de puertas (para refrigeración). ~ Para congeladores o diseños más bajos, a esta condición se consideran 2.1 cambios de aire (C.A).

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~ Para refrigeradores o instalaciones equivalentes con temperaturas iguales o superiores de refrigeración, se consideran 4.2 cambios de aire (C.A). b. Método por infiltración para refrigeración. (Por carta Psicrométrica) ~ Si tiene un lado expuesto al medio ambiente se considera 1 cambios de aire (C.A). ~ Si tiene dos lados expuestos al medio ambiente 1.5 cambios de aire (C.A). ~ Si tiene tres lados expuestos al medio ambiente 2.0 cambios de aire (C.A). ~ Si tiene cuatro lados expuestos al medio ambiente 2.5 cambios de aire (C.A). Ahora bien, si se tienen instalaciones de uso pesado se deben multiplicar el valor de los cambios de aire por 2. Para el caso de almacenamiento con uso prolongado el valor de cambio de aire se multiplica por 0.6. Una vez conociendo el valor de los cambios de aire, la cantidad de aire infiltrado está dado por la siguiente expresión:

Dónde:

El calor a eliminar en el aire se obtendrá (para el caso del método de apertura de puertas) a partir de la carta psicrométrica, de aquí se toman los valores de la entalpía total, del aire exterior correspondiente al valor de su volumen específico y del mismo modo para el aire interior, la ecuación que define la cantidad de calor del aire en función de la magnitud será:

54

Dónde:

Cálculo de la carga térmica generada por ocupantes. El cuerpo humano al desarrollar cualquier actividad está desprendiendo calor, aun cuando no realice actividad física, el simple hecho de que su organismo trabaje para mantenerlo vivo es suficiente para que se libere calor. La energía calorífica cedida por los ocupantes está en función directa de la actividad que desarrolle en el interior del espacio. Existen valores determinados, para ciertas actividades que se pueden desarrollar en el área a tratar, los cuales se localizan para su uso práctico en tablas. Los valores que se muestran en tablas como el, equivalente del calor por persona (ECPP) es la suma del calor sensible más su correspondiente calor latente.

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Para calcular la carga térmica cedida por los ocupantes basta con identificar el equivalente de calor por persona en tablas. De acuerdo con la temperatura interior del espacio, y multiplicarlo por el número de ocupantes, es decir:

Dónde:

Cálculo de la carga térmica generada por el efecto solar. Este cálculo se debe a la incidencia de los rayos solares y se calcula exclusivamente para las paredes o superficies afectadas en la hora crítica y únicamente en verano. Los rayos solares al incidir sobre la superficie de un espacio refrigerado originan el calentamiento de estos, lo cual implica el paso del calor el interior del espacio. El efecto solar está relacionado con las siguientes características:

Rugosidad de la superficie en la que incide.

El ángulo de incidencia e intensidad de los rayos solares.

La constante proporcional del color de la superficie.

Las características anteriores afectan la refracción de la radiación solar, lo cual puede ocasionar un aumento en la ganancia de calor en el interior del espacio por este concepto. Para el cálculo de la radiación solar, la cual varía con la situación geográfica y la altura sobre el nivel del mar, se puede calcular suponiendo que el medio ambiente exterior tiene una temperatura superior a la real y se puede obtener mediante la expresión matemática general de la transmisión de calor:

56

Dónde:

Diferencial de temperatura corregida por efecto solar.

Dónde:

La siguiente Tabla 2.2, son valores recomendados para la corrección de la temperatura dependiendo del tipo de localización se tenga en la cámara.

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Tabla 2.2 Valor del incremento de temperatura.

Nota: Los valores anteriores corresponden a climas templados. Para lugares extremos aumentar de 20 a 30 % de los valores tabulados y para colores obscuros de 15 a 25%, Cálculo de la carga térmica total. Después de realizar los cálculos anteriores se procede a efectuar la suma de cada Carga térmica, a fin de obtener la carga térmica total y de esta forma poder conocer la cantidad de calor que deberá retirarse al espacio y/o producto a refrigerar.

2.4 Condiciones (Parámetros) de trabajo. Para conocer la carga térmica que debe generar el sistema de refrigeración por compresión de vapores, se realizara el análisis del sistema considerando los siguientes parámetros apoyándose de un diagrama de Mollier.

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Estos datos servirán para poder seleccionar el refrigerante más apropiado y poder saber si se utilizará un sistema con subenfriamiento o con sobrecalentamiento y en dado caso mezclando subenfriamiento con sobrecalentamiento, se harán los cálculos para saber qué sistema se utilizara. Para la selección de equipos se consultaran catálogos de fabricantes, con esto se podrá consultar el costo del proyecto y conocer si es económicamente viable o no lo es.

Niveles de presión ( ) Las presiones del evaporador y del condensador su resultado analítico se lee en el diagrama de Mollier.

Relación de compresión ( ) La relación de compresión se calcula dividiendo la presión absoluta de condensación entre la presión absoluta de evaporación.

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- Rendimiento volumétrico ( ) Se podrá definir el rendimiento volumétrico como el cociente que resulta de dividir al volumen de refrigerante producido en el evaporador entre el desplazamiento del compresor.

- Efecto refrigerante ( ) Se llama efecto refrigerante a la cantidad de calor que puede absorber 1 libra de refrigerante al circular por el evaporador hasta convertirse en vapor seco saturado.

- Cálculo del flujo másico ( )̇

- Cálculo de la potencia del compresor. ( ) La energía ganada por el refrigerante durante la compresión está representada por el cambio de entalpía a lo largo de un proceso de compresión.

- Cálculo del coeficiente de rendimiento ( ) En refrigeración se usa este término para expresar la relación de la refrigeración útil con la energía aplicada en la compresión.

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- Temperatura de descarga del compresor enfriada por aire.( )

- Desplazamiento del compresor. ( ̇ )

- Cantidad de calor desprendido en el condensador ( ̇ ) El cambio de entalpía durante el proceso de condensación refleja los requerimientos de transmisión de calor en el condensador la entalpía disminuye.

- Cálculo de la velocidad del compresor ( )

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CAPÍTULO 3 INGENIERÍA DEL PROYECTO

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El proyecto de una cámara de congelación de pescado ubicado en la Ciudad de Tampico Tamaulipas, se comienza con los datos necesarios del lugar, datos técnicos y prácticos sobre las necesidades del producto así como de cualquier norma establecida para el manejo correcto del producto. Primero se tiene que conocer factores como la temperatura de congelación y en base a este dato se puede proponer la temperatura requerida o de diseño del espacio en donde estará contenido el producto. Para el adecuado cálculo de los transmisores de calor se realiza un análisis energético o balance térmico, para seleccionar el refrigerante idóneo para este sistema de refrigeración y una vez seleccionado, se utilizará el diagrama de Mollier del mismo, así como de una carta psicrométrica, para determinar todos los parámetros necesarios del sistema de refrigeración, también mediante catálogos de fabricantes y con ayuda de la hoja de cálculo se seleccionará el equipo paquete adecuado que cumpla con la función de conservar el pescado en óptimas condiciones. Para el cálculo de la carga térmica generada por la transmisión a través de paredes se debe conocer el coeficiente específico de conductividad térmica del material que constituye la pared, así como el tipo de material que se utiliza y la conductancia de la capa superficial del aire. Para el cálculo de la carga térmica generada por el producto se sabe que se hará un proceso de congelación, en el caso de la carga térmica generada por ocupantes, alumbrado y equipo se utilizan modelos matemáticos sencillos que permiten conocer dichos valores. 3.1 Datos de diseño. Son los datos que se tienen que conocer para poder hacer un diseño adecuado y eficiente estos datos son: a) Condiciones exteriores: Predomina el clima cálido subhúmedo con lluvias regulares en verano. La temperatura media anual es de 25.6°C siendo la máxima de 36°C se registra en el mes de mayo y la mínima se registra en enero. Calman los calores, las brisas marinas, los vientos del sur y del oeste. El viento predominante en Tampico varía desde el Noreste al Sureste (NE al SE) la mayor parte del año y sus intensidades oscilan de 6.489 a 13.439 millas/h. Estos vientos suelen ser débiles y variables, (Véase Tabla 3.1 para mayor información de la velocidad de viento en todo el año).

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Tabla 3.1. Características de velocidad y dirección del viento.

El lugar de estudio será Tampico, a continuación se muestra una vista satelital del puerto, (Véase Figura 3.1).

Figura 3.1. Tampico, Tamaulipas

Se seleccionó específicamente la dirección: Calle Nextengo 78, Santa Cruz, Centro 02760, Tampico, Tamaulipas. Se considera dicho lugar para el estudio de las condiciones climatológicas exteriores y del espacio requerido para el logro de este proyecto, en la Figura 3.2 a) se muestra la ubicación geográfica. En la Figura 3.2 b) se hace una representación esquemática del lugar de instalación.

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a)

b)

Figura 3.2. a) Nextengo 78, Tampico Tamaulipas, b) croquis del lugar de estudio [53].

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El diseño de la cámara de congelación se realiza en el interior de la bodega Aurrera, debido a la alta tasa de personas que visitan este lugar para la compra del producto. A continuación se tabula las condiciones de diseño requeridas para la cámara de congelación, (Véase Tabla 3.2).

Tabla 3.2. Condiciones exteriores del lugar.

*ANEXO A

b) Condiciones interiores: Estas condiciones están basadas en datos establecidos en tablas para las condiciones ideales en el interior de la cámara, para lograr la conservación óptima del producto (Véase Tabla 3.3 datos proporcionados por ASHRAE).

Tabla 3.3. Condiciones interiores de la cámara de congelación.

**ANEXO B; ***ANEXO C; ****ANEXO D

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NOTA: Los valores fueron obtenidos de la norma (ASHRAE), los cuales están incluidos y se presentan en los anexos correspondientes de este proyecto. 3.2 Memoria de cálculo. En este apartado se presenta el procedimiento de cálculo para obtener el calor que gana el espacio a refrigerar, el balance térmico es el proceso de determinar y conocer los valores de calor que se generan por diversos elementos como son: radiación, conducción, convección, trabajo mecánico, calor generado de ciertas sustancias y actividades realizadas en un lugar específico. También se calcularan los parámetros precisos para la selección del refrigerante idóneo y los equipos para el sistema de refrigeración. Dimensionamiento del espacio. Este concepto se refiere al volumen ocupado por el producto, así como las condiciones más adecuadas para poder desarrollar las actividades requeridas dentro de la cámara. Teniendo en cuenta los datos de la tabla sobre los valores del espacio, peso y densidad para almacenar en cámaras de refrigeración proporcionado por ASHRAE. (Ver ANEXO F). El empaque estandarizado se muestra en la Figura 3.3 y posteriormente se muestra con cotas.

Figura 3.3. Caja del filete de pescado.

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Figura 3.4. Dimensionamiento de la caja del filete de pescado.

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Para conocer el dimensionamiento de la cámara de congelación, se obtiene el volumen del empaque con las cotas de la Figura 3.4, para mayor información consulte el apéndice A

Considerando el peso neto promedio de producto en lb para una caja (obtenida de norma, ver ANEXO F), se puede conocer el número de cajas que se necesitan para el volumen de la cámara, sabiendo que se almacenarán 5 toneladas de filete de pescado.

1 caja = 12 lb 917 cajas = 11000 lb

De tal manera, se demuestra que para las 5 toneladas (11,000 lb), se necesitan 917 cajas para el correcto almacenamiento del producto. Para la estiba del producto se considera el empleo de tarimas universales estándar para el arreglo de las cajas del producto, (Véase Figura 3.5) para más detalles sobre el dimensionamiento, consultar el apéndice B.

Figura 3.5. Tarima universal.

Por lo tanto la estiba de las cajas será en base a la Figura 3.5. Posteriormente se presenta el arreglo propuesto del producto empacado y estibado en 2 pallet es decir, la tarima más el producto y enseguida el mismo orden para completar 16 cajas a lo alto de la cámara, de forma que esté listo para su comercialización, de las cuales son 5 cajas a lo ancho, 3 cajas a lo largo y 8 cajas en cada tarima. En total serán 8 pallet para el acomodo eficiente de las 917 cajas anteriormente mencionadas, (Véase Figura 3.6). Se debe mencionar que en el arreglo mencionado tendrá un total de 960 cajas, sin embargo para almacenar las 5 toneladas sólo se necesitan 917 cajas. De tal manera que los pallet cuentan con 43 cajas extras las cuales se puede ocupar para almacenar una porción adicional de las contempladas.

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Figura 3.6. Producto empacado y estibado en tarimas.

Se hace la siguiente propuesta de dimensionamiento de la cámara de congelación, para que así se tenga un manejo eficiente y accesible para los usuarios y equipos que se emplean, (Véase Figura 3,7), para más información consulte apéndice C.

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Figura 3.7. Dimensionamiento de la cámara de congelación.

Entonces el volumen total será de 1271.158 ft 3, las dimensiones son: 13.123 x 9.842 x 9.842 consideradas en ft, estas dimensiones se consideran en función del volumen de producto y recreando las posibles maniobras dentro del espacio refrigerado, las vistas de este espacio se muestra en la Figura 3.8. Para mayor información consulte el apéndice D.

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Figura 3.8. Producto estibado dentro de la cámara de congelación.

Finalmente se muestra la simulación del producto estibado dentro de la cámara de congelación, es decir la cantidad total del pescado para comercializar (Véase Figura 3.9).

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Figura 3.9. Simulación del arreglo final para el producto a comercializar.

Balance térmico. Los parámetros a considerar son: ~ Carga térmica generada por producto. ~ Carga térmica generada por la transmisión a través de paredes ~ Carga térmica generada por alumbrado y equipo. ~ Carga térmica generada por concepto de infiltración. ~ Carga térmica generada por ocupantes. ~ Carga térmica generada por radiación solar A continuación se calcula cada uno de los conceptos de ganancia de calor. Carga térmica generada por el producto. Este término se refiere al calor generado por el producto dentro del espacio refrigerado, la Tabla 3.4 muestra los datos del producto tanto iniciales como finales de esté a congelar.

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Tabla 3.4. Datos del producto.

**ANEXO B; ***ANEXO C

La grafica específica para el llevar el producto a las condiciones de diseño queda de la siguiente manera (Véase Figura 3.10).

Figura 3.10. Grafica representativa del calor perdido por el producto.

Cálculo del calor por arriba del punto de congelación utilizando la ecuación (2.1):

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Cálculo del calor por abajo del punto de congelación, utilizando la ecuación (2.2):

Con uso de la ecuación (2.3) se calcula el calor latente:

Finalmente se sabe por la ecuación (2.4) que:

El signo negativo indica que el producto está perdiendo calor, por lo tanto ese calor lo gana el espacio. El tiempo requerido recomendado para abatir la carga térmica es en un tiempo de 18 horas para que el pescado no pierda sus propiedades anteriormente mencionadas. Por lo tanto:

Carga térmica generada por transmisión a través de paredes. Como se sabe el calor se transfiere de mayor a menor, por consecuencia la temperatura exterior será mayor, la transmisión será hacia el espacio refrigerado. Por ello, los materiales empleados para construir la cámara de congelación es vital que tenga un bajo coeficiente de conductividad térmica.

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Existe una enorme diversidad de materiales que tienen estas características, en este caso se eligió usar un panel de poliuretano, por la facilidad en su construcción, y sobre todo por ser un material muy eficiente en el aislamiento térmico (Véase Tabla 3.5).

Tabla 3.5. Estándares generales para el espesor del aislamiento en cuartos de almacenamiento.

Transferencia de calor a través de una pared compuesta de varios materiales. Con los siguientes modelos matemáticos podemos calcular la cantidad de calor que se transmite por las paredes que separan a dos fluidos que se encuentran a diferente temperatura. Tomando como referencia la ecuación (2.16) se tiene:

El cálculo de la conductividad térmica total obtenida de la ecuación (2.17):

Con las ecuaciones (2.7), (2.8) y (2.9) calcularemos la transferencia de calor en la película de aire: (Para paredes lisas). (Para paredes medianamente rugosas). (Para paredes muy rugosas).

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La propuesta de diseño del proyecto se muestra a continuación: En la Tabla 3.6 se presentan los materiales aislantes propuestos y sus espesores. Para más detalles véase el ANEXO E: Propuesta para muros y techo:

Tabla 3.6. Conductividad térmica para muros y techo.

En la Tabla 3.7 se muestra la composición de la puerta con sus espesores correspondientes: Propuesta puerta:

Tabla 3.7. Conductividad térmica para puerta.

En la Tabla 3.8 especifica la composición del piso con sus espesores correspondientes: Propuesta piso:

Tabla 3.8. Conductividad térmica para Piso.

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Enseguida se realizará el cálculo de las áreas de la cámara de congelación, tomando en cuenta la siguiente figura donde se representan las áreas de los muros, techo, piso y puerta. Se enumeran las áreas para tener una mejor representación en el cálculo. (Véase Figura 3.11).

Figura 3.11. Áreas de la cámara de congelación.

A continuación en la Tabla 3.9, se hace el cálculo de las diferentes áreas de la cámara de congelación.

Tabla 3.9. Cálculo de áreas de la cámara de congelación.

Cálculo de las conductancias de la capa superficial del aire para cada uno de los elementos:

~ Muros, techo y puerta:

Se considera el mismo valor de para muros techo y puerta, ya que son acabados de materiales muy semejantes.

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En este caso se considera que las paredes son medianamente rugosas ya que, a pesar del acabado liso del panel, no presenta una superficie totalmente plana. Se hace la consideración de los siguientes datos de velocidad en la Tabla 3.10, para realizar el cálculo:

Tabla 3.10. Velocidad del viento dentro y fuera de la cámara de congelación.

****ANEXO D

La velocidad exterior, es la velocidad promedio del lugar de estudio (Tampico, Tamaulipas), mencionada en la Tabla 3.1

Los espesores de la cámara están constituidos como se muestra en la Figura 3.12, por lo tanto el cálculo de para muros y techo es:

Figura 3.12. Conductividad térmica en los espesores de cada material en muros y techo.

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Como el material es lámina tanto en el interior como en el exterior de la cámara la rugosidad de este material es medianamente rugosa, por lo tanto se utiliza la ecuación (2.8): Cálculo de la película de aire para muros y techo en el exterior de la cámara.

Cálculo de la película de aire para muros y techo en el interior de la cámara.

Cálculo de para puerta: La composición del material de la puerta se conforma de varios materiales como se observa en la Figura 3.13.

Figura 3.13. Conductividad térmica en los espesores de cada material en puerta.

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Como el material es lámina tanto en el interior como en el exterior de la cámara la rugosidad de este material es medianamente rugosa, por lo tanto se utiliza la ecuación (2.8): Cálculo de la película de aire para puerta en el exterior de la cámara.

Cálculo de la película de aire para puerta en el interior de la cámara

Cálculo de para piso: Ahora bien la Figura 3.14 muestra los materiales que constituyen al piso

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Figura 3.14. Conductividad térmica en los espesores de cada material en piso.

En este caso, como en el interior del subsuelo no existe una corriente de aire, su velocidad se considera nula, pero su material es concreto y se hace uso de la ecuación (2.9) ya que son para paredes muy rugosas: Cálculo de la película de aire para piso en el exterior de la cámara.

En el interior de la cámara si existe una corriente de aire, y el material compuesto es poliestireno expandido, entonces se usa la ecuación (2.8) para paredes medianamente rugosas:

82

Para el cálculo de U para muros y techo, se tiene como referencia la ecuación (2.17):

En el cálculo de la conductividad térmica total, se necesita los valores de la Tabla 3.11 donde se hace mención la conductividad térmica k y el espesor de los materiales.

Tabla 3.11. Conductividad térmica para muros y techo.

En el cálculo de U para la puerta se sigue la misma ecuación (2.17):

En el cálculo la conductividad térmica total de los materiales, se debe consultar la Tabla 3.12, donde se menciona la conductividad térmica k y el espesor de estos.

Tabla 3.12. Conductividad térmica y espesor utilizado para puerta.

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Cálculo de U para el piso de la misma ecuación (2.17):

La Tabla 3.13 proporciona los datos usados de conductividad térmica k y el espesor de los materiales.

Tabla 3.13. Conductividad térmica y espesor utilizado para piso.

Resumiendo en la Tabla 3.14 el área y conductividad térmica total de cada elemento que conforma la cámara:

Tabla 3.14. Áreas de la cámara y Coeficiente de conductividad térmica total a utilizar.

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Cálculo de la temperatura promedio del interior de la bodega. Como la cámara de congelación está en el interior de otro espacio, se procederá a tomar una media aritmética de temperatura.

Una vez calculados los valores de coeficiente de conductividad térmica total de cada elemento que conforma la cámara así como también la temperatura media que está en contacto con la cámara, ahora se procede a calcular el calor que gana el espacio en cada uno de estos elementos (muros, techo, puerta y piso). Cálculo del calor para muros y techo. Empleando la ecuación (2.16), el calor transferido para muros y techo es:

Cálculo del calor para la puerta. Siguiendo la misma ecuación (2.16) se tiene:

Cálculo del calor para el piso. Se toma la misma consideración de cálculo, ecuación (2.16):

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Por lo tanto, la carga térmica total por transmisión a través de paredes es la sumatoria de la ganancia de calor anteriormente calculados. Entonces:

Carga térmica generada por alumbrado y equipo.

La cantidad de calor que cede se obtiene directamente de la potencia eléctrica con la potencia térmica, su factor de conversión de Watt a BTU/h:

Considerando la ecuación (2.18), la carga térmica generada por alumbrado es:

Es necesario considerar todos los equipos que realizan trabajo por lo que generan calor dentro del espacio refrigerado. Para ello la máquina es otra fuente de calor que gana el espacio; de tal manera que se tomará que el motor esta fuera y la máquina en el interior del espacio, siguiendo la ecuación (2,20), el calor se determina con esta expresión:

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Por lo tanto, el resultado es la adición de calor por alumbrado y equipo calculados:

Carga térmica generada por el concepto de infiltración. De acuerdo con el volumen los cambios de aire por infiltración debido a apertura de puertas se dan en un solo valor de acuerdo a Tabla 3.15. Si se tiene instalaciones de uso pesado se debe multiplicar el valor de los cambios de aire por 2. Para el caso del almacenamiento con uso prolongado el valor de cambio de aire se multiplica por 0.6. Uso pesado: Abrir 8 a 10 veces la puerta. Uso prolongado: 3 meses, cada 1 o 2 meses.

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Tabla 3.15. Cambios de aire promedio en 24 horas para cuartos de almacenamiento abajo de 32 °F (0°C) debido a la apertura de puertas e infiltración.

Dado a que no se tiene el volumen exacto registrado en la tabla se interpola entre los valores que se seleccionaron en la tabla anterior (Véase Figura 3.15). Para obtener el valor desconocido se procede de la siguiente forma:

Figura 3.15. Interpolación para obtener los cambios de aire del volumen de la cámara.

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De donde se sabe que la interpolación se calcula de la siguiente manera:

Por lo tanto, para saber los cambios de aire en una hora se divide el valor obtenido entre 24 horas:

Con esto, se calcula el volumen infiltrado que se toma de la ecuación (2.22):

La Tabla 3.16 son los datos requeridos que se tienen las condiciones exteriores del lugar para el cálculo por infiltración.

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Tabla 3.16. Condiciones exteriores del lugar.

Las condiciones interiores se muestran en la Tabla 3.17 que son las condiciones de diseño.

Tabla 3.17. Condiciones interiores del lugar.

El calor eliminado del aire se obtendrá de la carta psicrométrica, de aquí se toman los valores de entalpía total del aire exterior correspondiente al valor de su volumen específico y del mismo modo para el aire interior, la ecuación (2.23) que define la cantidad de calor del aire en función de las magnitudes será:

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Para ellas condiciones del exterior se tiene con la ecuación (2.24):

Finalmente por la ecuación (2.25), se sabe que para el cálculo del calor por infiltración es:

Carga térmica generada por ocupantes. La ecuación (2.26) define este concepto, y se procede a calcular de la siguiente forma:

Carga térmica generada por efecto solar. Debido a que el espacio refrigerado se encuentra ubicado en el interior de un espacio, se puede despreciar dicha carga, ya que su valor es insignificante. Por lo tanto:

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La Tabla 3.18 se resume las ganancias de calor de todos los conceptos calculados previamente, para ello se utiliza la ecuación (2.30).

Tabla 3.18 Resultados del calor ganado por cada concepto.

Se agrega un factor de seguridad del 10% al calor total ganado por el espacio, por tanto:

Expresando en toneladas de refrigeración, dividiendo entre 12,000. Se tiene:

3.3 Selección del refrigerante. Propiamente no existe un refrigerante ideal y por las grandes diferencias en las condiciones y necesidades de las varias aplicaciones no hay un solo refrigerante que sea universalmente adaptable a todas las necesidades. Entonces un refrigerante se aproxima al ideal, solo en tanto que sus propiedades satisfagan las condiciones y necesidades de aplicación para la cual va a ser utilizado. Por tanto cualquier refrigerante que se seleccione deberá poseer las siguientes características:

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~ No tener presión de condensación externa ~ Bajo punto de ebullición ~ Alta temperatura critica ~ Alto calor latente de vaporación ~ Bajo calor especifico de líquido ~ Bajo volumen específico de vapor ~ Ausencia de acción corrosiva en los metales usados ~ No inflamable y no explosivo ~ No debe ser toxico ~ Disponibilidad Refrigerante R-404A. EL R-404A es un fluido de largo plazo dedicado a las aplicaciones a bajas temperaturas monoetapa (temperatura de evaporación > -44°C) para el frio comercial, de transporte e industrial. Es posible emplearlo también con sistemas en cascada, multietapa o incluso con inyección de líquido. El R-404A es muy eficaz a temperaturas altas (hasta una temperatura de evaporación = +15°C) y permite la utilización de compresores de baja cilindrada. El nivel real de las prestaciones del R-404A varía en función de la naturaleza del material empleado, el tipo de ciclo y las condiciones exteriores. El rendimiento es parecido e incluso superior al R-502 y R-22 en material optimizado. El tipo de mantenimiento que se realiza es idéntico al R-502. Se puede contemplar una reconversión a R-404A modificando la instalación del R-502, particularmente el paso de lubricante de tipo polioléster, aunque se propone la reconversión con R-408A específico para sustituir al R-502. Refrigerante R-507. El R-507 es un fluido de largo plazo dedicado a las aplicaciones a bajas temperaturas monoetapa (temperatura de evaporación > -44°C) para el frio comercial, de transporte e industrial. Es posible emplearlo también con sistemas en cascada, multietapa o incluso con inyección de líquido. El R-507 es muy eficaz a temperaturas altas (hasta una temperatura de evaporación =+15°C) y permite la utilización de compresores de baja cilindrada. El nivel real de las prestaciones del R-507 varía en función de la naturaleza del material empleado, el tipo de ciclo y las condiciones exteriores. El rendimiento es parecido e incluso superior al R-502 y R-22 en material optimizado. El tipo de mantenimiento que se le realiza es idéntico al R-502. Se puede contemplar una reconversión a R-507 modificando la instalación de R-502, particularmente el paso de lubricante de tipo polioléster, aunque se propone la reconversión con R-408A específico para sustituir al R-502.

La Tabla 3.19. Describe algunas propiedades propias del refrigerante R-404A.

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Tabla 3.19. Características del refrigerante R-404A.

La Tabla 3.20 Describe algunas propiedades propias del refrigerante R-507.

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Tabla 3.20. Características del refrigerante R-507.

La elección del refrigerante está en función de las características del compresor debido a la comprobada eficiencia de los refrigerante R-404A y R-507 en bajas temperaturas, gran cantidad de equipos condensadores y compresores están diseñados comercialmente para estos refrigerantes. Debido a la intención de este proyecto para que sea viable se adapta a condiciones comerciales actuales, la elección del refrigerante será entre los dos refrigerantes mencionados.

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3.4 Análisis completo del refrigerante R-507. Como se puede observar, es más conveniente el uso del refrigerante R-507, a continuación, se hace el estudio completo del refrigerante.

Efecto refrigerante.

De acuerdo a la ecuación (2.33), se tiene:

Del diagrama de Mollier, se obtienen las entalpias (h1 y h2) (Véase Figura 3.17).

Por lo tanto sustituyendo en la ecuación anterior para el efecto refrigerante:

Flujo másico. Es la cantidad de refrigerante que va a trabajar en el sistema. Cuando se conoce el E. R. se puede determinar el flujo másico que se usara en el sistema. En base a la ecuación (2.34):

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Potencia del compresor. La expresión para el cálculo de la potencia del compresor se define de la ecuación (2.36):

Dónde: k = 0.02357 (factor de conversión) La entalpia generada por el compresor está dada por la ecuación (2.37):

Finalmente se tiene que la potencia es:

Coeficiente de rendimiento.

Para determinar el coeficiente de rendimiento es el cociente del efecto refrigerante y la variación de entalpia del compresor, calculados anteriormente y utilizando la ecuación (2.38) se describe:

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Cálculo del calor desprendido en el condensador.

Para efecto de cálculo se empleara la ecuación (2.43):

Primeramente, para conocer el calor desprendido se necesita conocer las entalpias del condensador que describe la ecuación (2.44).

Aplicando un factor de conversión, se tiene el flujo másico en;

Finalmente se tiene que el calor desprendido por el condensador es:

3.5 Cálculo de la capacidad de los equipos. Es necesario establecer y conocer la capacidad de los equipos de trabajo para el sistema indirecto de refrigeración por compresión de vapores para que el ciclo de refrigeración trabaje de manera correcta y eficiente. Para determinar las condiciones de trabajo de un sistema de refrigeración se procede de la siguiente forma:

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Cálculo de la temperatura de succión. Para determinar la temperatura de succión, se fija la temperatura que se requiere mantener en el espacio y se considera que el refrigerante debe estar a menor temperatura a efecto de que existe transmisión de calor; por lo tanto la temperatura de succión (Tsucc) será de 8 a 10°F a bajo de la temperatura requerida, tal como lo expresa la ecuación.

Se selecciona la situación más crítica de temperatura 10°F, por tanto:

Cálculo de la temperatura de descarga. Si el sistema de refrigeración va a emplear aire ambiente para realizar la condensación del refrigerante la (Tdesc) deberá de ser de 10 a 15°F arriba de la temperatura de bulbo seco de aire ambiente disponible para realizar la condensación, con la ecuación (2.39) se puede calcular la temperatura de descarga.

Se considera la temperatura más crítica 15°F:

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Figura 3.16. Diagrama de Mollier para el refrigerante R-404A.

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En el diagrama de Mollier ilustrado en la Figura 3.16 se trazan las temperaturas de succión y condensación de refrigerante R-404A, de tal manera que se mide las presiones, presión de condensación o presión alta y presión de evaporación o presión baja, con el objeto de obtener su relación de compresión del refrigerante. Cálculo de la relación de compresión. La relación de comprensión se calcula con la ecuación (2.31), entonces:

En el diagrama de Mollier (Véase figura 3.16) se obtienen los valores de alta presión considerando que la presión atmosférica al nivel del mar es de:

Por lo tanto, la relación de compresión es de:

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Figura 3.17. Diagrama de Mollier para el refrigerante R-507.

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De manera análoga para el refrigerante R-507 el diagrama de Mollier ilustrado en la Figura 3.17 se traza las temperaturas de succión y condensación, de tal manera que se mide las presiones, presión de condensación o presión alta y presión de evaporación o presión baja, con el objeto de obtener su relación de compresión del refrigerante. En el diagrama de Mollier (Véase Figura 3.17) se obtienen los valores de alta presión y baja presión. R-507 Siguiendo con la ecuación (2.31), se calcula la relación de compresión de la misma manera, que al refrigerante anterior:

Por lo tanto, la relación de compresión es de:

Las características de ambos refrigerantes son muy similares, pero se selecciona el R-507. El criterio de selección es que a pesar de la relación de compresión muy similar es un poco más bajo el del R-507, y esa pequeña diferencia puede ser significativa a largo plazo para el funcionamiento del compresor y su vida útil. 3.6 Selección del equipo. En base a los datos de diseño y el balance térmico elaborado, se procede a la selección de los equipos del sistema de refrigeración. No obstante, los cuatro principales componentes del sistema, existen diferentes tipos de ellos, cada uno tiene sus ventajas y desventajas y se seleccionan dependiendo del uso particular al que se destinen. Para poder llevar a cabo la selección de los equipos, se establecerá los parámetros bajo los cuales ha de operar el sistema, datos que serán comunes en cada uno de ellos, así como se hizo previamente la selección del refrigerante que es un factor importante para el enfriamiento.

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Evaporador. Se selecciona el evaporador de la marca Bohn como se muestra en la Figura 3.18. Debido a su capacidad de carga comercial más próxima superior a la que se requiere en el proyecto (Véase Tabla 3.21).

Figura 3.18. Evaporador marca Bohn.

Tabla 3.21. Características para selección del evaporador, catálogo Bohn alto perfil mayo 2012.

Las especificaciones de conexión se muestran en la Tabla 3.22.

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Tabla 3.22. Especificaciones de conexiones, peso neto, número de ventiladores y entrada del serpentín del evaporador.

A continuación se muestra en la Figura 3.19 las cotas del evaporador así como en la Tabla 3.23 se señala las dimensiones en pulgadas y en milímetros del mismo:

Figura 3.19. Dimensiones del evaporador seleccionado.

Tabla 3.23. Detalles de las dimensiones del evaporador.

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Unidad condensadora semihermética modelos discus. La Tabla 3.24 brinda las características necesarias para la selección de la unidad condensadora, y el esquema de la Figura 3.20 es la unidad físicamente.

Tabla 3.24. Selección de la unidad condensadora semihermética Discus Diciembre 2006.

Figura 3.20. Unidad condensadora marca Bohn.

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Válvula de expansión serie RE. La serie RE Parker utiliza la válvula de balanceo para la construcción del puerto y proporcionar un funcionamiento óptimo para sistemas de medio y de gran tonelaje para aire acondicionado y sistemas de refrigeración. Dos estilos de cuerpo de latón con cobre extraíble y conexiones de ODF, cargada de energía termostática para proporcionar la estabilidad y el control necesarios en una variedad de aplicaciones, especialmente donde hay grandes cambios en las condiciones de carga. La válvula de la Figura 3.21 tiene una capacidad nominal de R-22 hasta 30 toneladas.

Figura 3.21. Válvula de expansión termostática serie RE.

Aplicaciones de: ~ Aire acondicionado ~ Enfriadores ~ Refrigeración industrial ~ Refrigeración de transporte Características y beneficios: ~ Diseño equilibrado ~ Extraíble de acero inoxidable para elemento de alimentación ~ Ajustable en campo de sobrecalentamiento. ~ 1/4" igualador externo ~ Peso: Estilo de cuerpo 1 - 1,7 libras/ 0,77 Kg

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~ Flujo de avance y de retroceso ~ Tubo capilar de 60° a 120° (opcional)

En la siguiente Tabla 3.25 se elige las conexiones de la válvula de expansión por sus características del refrigerante y la capacidad en toneladas de refrigeración.

Tabla 3.25. Selección de la válvula de expansión termostática, catálogo Parker. Abril 2003.

Se selecciona la válvula de expansión debido a las conexiones marcadas tanto en la unidad condensadora ver tabla 3.24 que es de 7/8" y en la entrada del serpentín del evaporador la cual es de 1-3/8" tal y como se muestra en la tabla 3.22. Es por eso que en la tabla 3.25 se hace la selección de la válvula en base a las conexiones de los equipos previamente seleccionados para el refrigerante R-507.

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La Figura 3.22 muestra las dimensiones de la válvula de entrada y salida para su conexión correspondiente, y se señala en la misma figura los tamaños requeridos.

Figura 3.22. Dimensiones de la válvula de expansión termostática.

Compresor. Es la parte principal del sistema para que haga circular el refrigerante durante el ciclo de refrigeración, la selección se hace en base a la marca COPELAND, (Véase Figura 3.23) y se muestra la selección en la Tabla 3.26 la seleccione es debido a que la unidad condensadora indica el modelo del compresor ver Tabla 3.24.

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Tabla 3.26. Especificaciones mecánicas del compresor de semiherméticos para refrigeración HFC- 50 Hz.

Figura 3.23. Compresor marca COPELAND.

Además se hace mención de los datos de placa, para el funcionamiento óptimo del compresor, (Véase Tabla 3.27).

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Tabla 3.27. Detalles eléctricos del compresor.

3.7 Instalación de equipos. Un punto muy impórtate para cuando se tenga que tomar una decisión de donde se debe de instalar un equipo de enfriamiento por aire. Este deberá proveer la cantidad suficiente de aire ambiente al condensador y disipar el aire caliente del área de la unidad condensadora o condensador remoto. De no seguirse estas recomendaciones se obtendrán valores más altos en la presión de descarga provocando mal funcionamiento y fallas en la potencia del equipo. No colocar las unidades en ambientes próximos a salidas de humo, aire caliente o vapor. Otro aspecto que se debe tener en cuenta es que al instalar la unidad lejos de áreas sensibles al ruido y además tengan un soporte adecuado para evitar transmisión de ruido y vibraciones en la construcción o edificio. Las unidades deben ser montadas a través de pasillos, áreas utilitarias, sanitarios y otras áreas auxiliares donde los niveles del ruido no son un factor importante.

Condensador. Obstrucciones o Muros. La unidad deberá colocarse de tal manera que el aire pueda circular libremente y no sea recirculado. Para un adecuado flujo de aire y acceso a todos los lados de la unidad esta deberá colocarse a una distancia mínima "W" de la pared u obstrucción (Véase Figura 3.24). Se prefiere que esta distancia sea incrementada cuando sea posible. Se debe tener cuidado de que haya espacio suficiente para trabajos de mantenimiento y acceso a puertas y controles. No bloquear la parte superior.

Figura 3.24. Acomodo para obstrucciones o muros.

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Donde "W" es el ancho total de la unidad condensadora o condensador. ~ Unidades en fosas. Si la parte superior de la unidad está a nivel con la superficie de la fosa, la distancia lateral se incrementará a "2W"; si la parte superior de la unidad no está a nivel con la superficie de la fosa, deberán usarse ductos cónicos o campanas para elevar la descarga de aire por encima de la superficie de la fosa. Este es un requerimiento mínimo. (Véase Figura 3.25).

Figura 3.25. Unidades en fosas.

~ Unidades Múltiples. Para unidades colocadas una al lado de otra la distancia mínima entre estas, es el ancho de la unidad más grande. En unidades colocadas de extremo a extremo, la distancia mínima entre las unidades es de 4 pies (122 cm). (Véase Figura 3.26).

Figura 3.26. Unidades múltiples para instalación.

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~ Rejillas Decorativas. La rejillas deben tener el 50% de área libre, a 1 pie (30.5 cm), sobre el piso con un claro mínimo "W" y no debe exceder de la parte superior de la unidad. Si estos requisitos no se cumplen la unidad debe ser instalada como se indica en unidades de fosas. (Véase Figura 3.27).

Figura 3.27. Rejillas decorativas.

Figura 3.28. Unidades múltiples con flujo de aire horizontal.

Evaporadores para Cuartos fríos. Para la colocación del evaporador deberán seguirse las siguientes reglas generales: 1.- La dispersión del aire deberá cubrir la cámara 2. NUNCA colocar los evaporadores sobre la puerta 3.- La ubicación de anaqueles etc. Deberá conocerse. 4.-La ubicación relativa al compresor debe ser para mínimos recorridos de tubería. 5.- Ubicar la línea de drenado de los condensadores para mínimos recorridos de tubería

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El tamaño y forma del almacén generalmente determinará el tipo y el número de evaporadores a usar y su ubicación.

Los siguientes son algunos ejemplos típicos: Espacios libres mínimos en los evaporadores, esto se puede observar en las figuras 3.29, 3.30, 3.31. Y en la figura 3.32 se especifican el dimensionamiento permisible para la ubicación del Evaporador.

Figura 3.29. Colocación recomendada de evaporadores para cuartos fríos medianos y grandes.

Figura 3.30. Evaporadores para cuartos fríos pequeños.

Figura 3.31. Evaporadores montados al centro.

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Figura 3.32. Distancias para el acomodo del evaporador.

En vista a lo anterior sobre la correcta distribución de los equipos proporcionada por la marca Bohn, en la Figura 3.33 se hace el acomodo del conjunto que conforma la cámara de congelación. En los apéndices E, F, G, H se muestra detalladamente la propuesta del acomodo de cada uno de los equipos para satisfacer la carga térmica y mantener el producto en óptimas condiciones para su comercialización. Cabe destacar que los equipos seleccionados son los idóneos para este proyecto debido a su capacidad y eficiencia para mantener el espacio y como consecuencia el producto alcanza la temperatura requerida para su conservación.

Figura 3.33. Acomodo e instalación de los equipos seleccionados.

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CAPÍTULO 4 PROGRAMA DE

MANTENIMIENTO, SU BENEFICIO Y COSTO DEL

PROYECTO

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El mantenimiento es importante para poder predecir, prevenir y corregir el funcionamiento del equipo, para cumplir la vida útil del mismo. Cada día es más importante para la industria la reducción de costos, así como el correcto funcionamiento de los equipos y de la seguridad en el trabajo (seguridad industrial), para evitar accidentes para tener una mejor eficiencia es vital hacer uso del mantenimiento industrial. El mantenimiento constituye un conjunto de acciones oportunas, continuas y permanentes dirigidas a prever y asegurar el óptimo funcionamiento y eficiente de sistemas, equipos y maquinaria de la industria. Se puede concluir que las acciones más importantes del mantenimiento son: » Planificación » Programación » Ejecución » Supervisión » Control Los cuales deben ser ejecutados de manera continua a través de protocolos dirigidos por normas, estándares que contengan: fines, metas y objetivos bien establecidos. El mantenimiento brinda los siguientes puntos que cualquier industria debe considerar: » Confiabilidad » Disponibilidad » Soportabilidad Objetivo del mantenimiento: » Evitar, reducir y en su caso, reparar las fallas sobre los bienes citados anteriormente. » Disminuir la gravedad de las fallas que no se lleguen a evitar » Evitar detenciones inútiles o paro de maquinas » Evitar accidentes » Evitar incidentes y aumentar la seguridad para las personas. » Conservar los bienes productivos en condiciones seguras y preestablecidas de operación. » Alcanzar o prolongar la vida útil de los bienes.

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4.1 Tipos de mantenimiento. El mantenimiento ha adquirido mayor peso económico en las grandes y medianas empresas, adquiriendo mayor presencia en ámbitos financieros, de ingeniería, logística y producción. A continuación se presentan los diferentes tipos de mantenimiento. Mantenimiento preventivo. Este tipo de mantenimiento surge de la necesidad de rebajar el correctivo y todo lo que representa, pretende reducir la reparación mediante una rutina de inspecciones periódicas y la renovación de los elementos dañados. Características. Básicamente consiste en programar revisiones de los equipos, apoyándose en el conocimiento de la maquina en base a la experiencia y los historiales obtenidos de las mismas. Se confecciona un plan de mantenimiento para cada máquina, donde se realizarán las acciones necesarias: engrasar, cambio de correas, desmontaje, limpieza, etc. Ventajas. Si se hace correctamente, exige un conocimiento de las máquinas y a un tratamiento de los históricos que ayudara en gran medida a controlar la maquinaria e instalaciones. Reducción de mantenimiento correctivo representara una reducción de costos de producción y un aumento de la disponibilidad, eso posibilita una planificación de los trabajos del departamento de mantenimiento. Se concreta de mutuo acuerdo el mejor momento para realizar el paro de las instalaciones con producción. Desventajas. Representa una inversión inicial en infraestructura y mano de obra. El desarrollo de planes de mantenimiento se debe realizar por técnicos especializados. Si no se hace un correcto análisis del nivel de mantenimiento preventivo, se puede sobrecargar el costo de mantenimiento sin mejorar sustancialmente la disponibilidad. Los trabajos rutinarios, puede producir falta de motivación en el personal, por 10 que se deberán crear sistemas imaginativos para convertir el trabajo repetitivo en un trabajo que genere satisfacción y compromiso. La implicación de los operarios de mantenimiento preventivo es indispensable para el éxito del plan.

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Mantenimiento predictivo. Este tipo de mantenimiento se basa en el predecir antes de que suceda. Se trata de conseguir un adelanto a los momentos en los que los equipos o elementos dejan de funcionar correctamente es decir, en sus óptimas condiciones. Para conseguir esto se utiliza herramientas y técnicas de monitores de parámetros físicos. Ventajas. La intervención en el equipo o cambio de un elemento. Nos obliga a dominar el proceso y a tener unos datos técnicos, que nos comprometerán con un método científico de trabajo riguroso y objetivo. Desventajas. La implementación de un sistema de este tipo requiere una inversión inicial importante, los equipos y los analizadores de vibraciones tienen un costo elevado. De la misma manera se debe destinar un personal a realizar la lectura periódica de datos. Se debe tener un personal que sea capaz de interpretar los datos que generan los equipos y tomar conclusiones en base a ellos, que requiere un conocimiento técnico elevado de la aplicación. Por todo ello la implantación de este sistema se justifica en máquinas o instalaciones donde los paros ocasionan grandes pérdidas. Mantenimiento correctivo. Dentro de las operaciones de mantenimiento, se denomina a mantenimiento correctivo, a aquel que corrige los defectos observados en los equipos o instalaciones, es la forma más básica de mantenimiento y consiste en localizar averías o defectos y corregirlos o repararlos. En este punto se trata el programa de mantenimiento que se debe seguir en los equipos seleccionados para este proyecto. Fallas comunes. Fuga de refrigerante Si el equipo de refrigeración a emplear para enfriar el aire de inyección se encontrara bajo carga, esto puede ser causado por dos rubros: por un defecto de carga durante la instalación o el sistema presenta una fuga. En caso de existir fuga, un técnico calificado deberá de localizarla y repararla, luego tendrá que

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cargar de nuevo· el equipo con el gas refrigerante apropiado y seleccionado para el sistema. Fallas por suciedad Si se dejan que los serpentines y filtros de los equipos se contaminen con suciedad como polvo o grasa, el sistema no operara adecuadamente, lo que puede provocar daños en el compresor y evaporador de manera prematura. Fallas en conexiones eléctricas. Los sistemas de control del compresor y del evaporador pueden sufrir daños severos por el constante uso y la corrosión que se presenta en las conexiones eléctricas. Por lo que deberán ser revisadas por servicios profesional y capacitado por lo menos una vez cada año. El mantenimiento predictivo se puede dar a conocer anual para los equipos seleccionados (revisiones mensuales), revisión de filtros; se hace un lavado de los mismos conforme se requiera, revisión de las varillas de las compuertas,

verificación del nivel del aceite del compresor; el nivel de aceite de estar en ⁄ y

⁄ de la mirilla cuando el equipo se encuentre en reposo, limpieza del

condensador y revisiones trimestrales o semestrales. Beneficios del mantenimiento. Lejos de que sean beneficios es necesario y en algunos casos obligatorios hacer uso del mantenimiento, pero se mencionaran algunas de las razones. Cumplir la vida útil del sistema, equipo o máquina, nunca se lograra alargar la vida de estos ya que fueron diseñados específicamente para un determinado tiempo. Además se lograra que no se para el proceso de producción, cosa que es lo peor que puede sucedes ya que es una pérdida de dinero y de tiempo. Con el mantenimiento se tendrá una gran eficiencia, lo cual se traduce en un ahorro económico. El impacto deseado con el mantenimiento es optimizar en forma económica la utilización y disponibilidad de los equipos e instalaciones de los servicios. La medición del grado en el que un mantenimiento ha contribuido a mejorar algunas de estas situaciones, resulta bastante difícil debido a que existen muchos factores externos, que también influyen en el resultado final, tales como edad de los equipos, presupuestos y calidad de la energía que se suministra.

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4.2 Programa por implementar. En la tabla 4.1, se presenta el mantenimiento preventivo propuesto para el correcto funcionamiento de los equipos y de la cámara de congelación, que consta de inspecciones semanales, mensuales y trimestrales para asegurar la vida útil de los equipos y el producto.

Tabla 4.1 Programa de mantenimiento preventivo.

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4.3 Beneficios técnicos y económicos El análisis de costo-beneficio es un término que se refiere tanto a: » Una disciplina formal (técnica) a utilizarse para evaluar, o ayudar, en el caso de un proyecto o propuesta, que en si es un proceso conocido como evaluación de proyectos, para poder tomar una decisión. El proceso involucra un peso total de los gastos previstos en contra del total de los beneficios previstos de una o más acciones con el fin de seleccionar la mejor opción o en otras palabras las más rentable. El costo beneficio es un razonamiento basado en obtener mayores y mejores resultados al menor esfuerzo invertido, tanto por la eficiencia técnica como por motivación humana. Aquellos donde los beneficios superan al costo son exitosos, caso contrario fracasan. Análisis. » Panel de poliuretano Es un material muy práctico en todos sentidos por su diseño permite una gran velocidad de avance en los proyectos, además de que para proyecto de refrigeración es muy eficiente en cuanto a su baja conductividad térmica, otra ventaja que se tiene es que dicho material permite que en caso de no ser necesario cambiar de ubicación la cámara esto es posible. Ya que se presta para desarmar con pequeños daños. » Evaporador Este es uno de los equipos que más incrementa el costo del proyecto, sin embargo los beneficios obtenidos son la velocidad de congelación del producto, esto implica la posibilidad de comercialización en un menor tiempo el pescado. Esto beneficia en que se puede recuperar la inversión en un plazo más corto. » Condensador Este es el equipo es costoso, pero al igual que el evaporador el beneficio es la reducción del tiempo, así mismo la eficiencia del compresor que por las características, es el más ideal para el proceso y esto repercute de forma positiva en el costo del proyecto.

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» Válvula de expansión Este elemento es muy importante en el ciclo ya que dependiendo de su buen funcionamiento o buena selección llevará acabo la refrigeración, ya que regula la cantidad de refrigerante que se aporta, por tanto en costo en este equipo en función de su beneficio no debe ser tan importante. » Gas Refrigerante El beneficio obtenido es la eficiencia del ciclo, ya que se calculó en función de dicho refrigerante, por ende repercute en el costo para la realización del proyecto. Por lo tanto, en la tabla 4.2 se presenta el presupuesto del proyecto:

Tabla 4.2. Cotización de los equipos de refrigeración.

*Productos comercializados en dólares. -Productos comercializados en euros.

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CONCLUSIONES. Este proyecto permitió cumplir el objetivo general y objetivos específicos fijados al inicio del presente trabajo, se recopilaron datos tanto climatológicos como del producto por conservar, así como también se diseña la cámara de congelación de 4x3x3 m con una capacidad de almacenamiento de 5 toneladas de pescado de tal manera que se pueda conservar a una temperatura de -10°F. Al realizar el balance térmico en el cual se calcula en base a las condiciones críticas, es decir, condiciones de verano, se obtuvo un valor de 107,372.56 BTU/h, adicionalmente se agregó un factor de seguridad del 10% para garantizar la correcta congelación del producto cuyo valor es de 118,109.81BTU/h. Con este valor se seleccionó el equipo idóneo para abatir la carga térmica, en vista de que no se encontró un valor comercial similar se optó por tomar el valor inmediato superior, es decir, la carga térmica para el evaporador es de 120,000 BTU/h , se seleccionó la marca Bohn de alto perfil y modelo BHE 1200. Con este equipo se seleccionaron los demás componentes, la unidad condensadora, la válvula de expansión, así como el refrigerante. Para el refrigerante correspondiente al sistema, se ocupa el R-404A y el R-507, por lo tanto para saber que refrigerante convenía más; se hizo el estudio comparativo de ambos y se concluye por medio del diagrama de Mollier que la relación de compresión del R-507 es menor, dado al resultado obtenido es más conveniente para el correcto funcionamiento del sistema y así alargar la vida útil del equipo. Adicionalmente se propuso un programa de mantenimiento preventivo para los parámetros o componentes más importantes para revisar y así asegurar que se haga la congelación adecuada del producto y no afectar a la comercialización por un paro indebido del sistema de refrigeración. Se presentó una discusión para la instalación, ya que por las dimensiones que presenta el evaporador, se hicieron diferentes propuestas, una de ellas fue instalarlo en el piso, pero el equipo cuenta con una charola abatible en la parte inferior, está sirve para hacer un mantenimiento al mismo, entonces se llega a la conclusión de que es recomendable instalarlo en la pared de la cámara de tal manera que el aire fluya adecuadamente en todo el espacio y así asegurar la calidad del producto. Recomendaciones o trabajos futuros:

Calcular los elementos de sujeción para el evaporador y condensador, así

como una propuesta de rediseño para que la cámara soporte el peso de

400 kg que es el peso del evaporador.

Un sistema de control para arranque y paro del equipo de refrigeración.

124

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128

ANEXOS

129

ANEXO A. Temperaturas exteriores de diseño para las condiciones de verano (ASHRAE).

130

ANEXO A. (CONTINUACIÓN).

131

ANEXO B. Características de productos alimenticios (ASHRAE).

132

ANEXO B. (CONTINUACIÓN).

133

ANEXO C. Requerimientos de almacenaje y propiedades de productos perecederos (ASHRAE).

ANEXO D. Datos de diseño para almacenaje de carne (ASHRAE).

134

ANEXO E. Coeficientes de transmisión de calor (ASHRAE).

135

ANEXO E. (CONTINUACIÓN).

136

ANEXO E. (CONTINUACIÓN).

137

ANEXO F. Datos sobre el espacio, peso y densidad para productos almacenados en cámaras refrigeradas (ASHRAE).

138

ANEXO G. Cambios de aire promedio en 24 horas para cuartos de almacenamiento arriba de 32°F (0°C) debido a la apertura de puertas e infiltración

(ASHRAE).

ANEXO H. Cambios de aire promedio en 24 horas para cuartos de almacenamiento debajo de 32°F (0°C) debido a la apertura de puertas e infiltración

(ASHRAE).

139

ANEXO I. Calor equivalente de ocupación (ASHRAE).

ANEXO J. Estándares generales para el espesor del aislamiento en cuartos de almacenamiento (ASHRAE).

140

ANEXO K. Factores de conversión.

a) Conversión de entropía.

b) Conversión de transferencia de calor conductividad térmica global.

141

c) Conversión de transferencia de calor específica.

d) Conversión de unidades de trabajo, energía y calor.