PROYECTO DE REFRIGERACIÓN

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2012

DISEÑO DE UNA CAMARA DE REFRIGERACION PARA LA CONSERVACION DE LECHE UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA DOCENTE: Ing. Eli Guayan Huaccha ALUMNO: Avila Cortijo Deiby

REFRIGERACIÓN, AIRE ACONDICIONADO Y CALEFACCIÓN IX CICLO UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO [Escriba el nombre de la compañía] 01/01/2012

REFRIGERACIÓN, AIRE ACONDICIONADO Y CALEFACCIÓN

ÍNDICE I.

INTRODUCCIÓN.

II.

GENERALIDADES.

III.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y OBJETIVOS.

IV.

MARCO TEORICO. 4.1 Antecedentes. 4.2 Definición de leche. 4.3 Composición de la leche. 4.4 Microbiología de la leche 4.5 Propiedades de la leche (análisis organoléptico) 4.6 Propiedades físicas de la leche. 4.7 Tratamientos de la leche. 4.8 Tanque para conservación de la leche. 4.9 Preenfriado de la leche. 4.10Temperatura 4.10Temperatura de enfriado.

V.

SISTEMA DE ENFRIAMIENTO. 5.1 Sistema de enfriamientos modernos. 5.2 Enfriamiento en banco de hielo.

VI. VII.

METODO DE DISEÑO EMPLEADO. DISEÑO METODOLOGICO 7.1 7.2 7.3 7.4

Dimensiones del tanque. Propiedades térmicas de la leche. Cálculo del flujo másico. Calculo de la carga térmica del sistema de refrigeración. 7.4.1 Carga térmica de la leche. 7.4.2 Carga térmica del tanque. 7.4.2.1 carga térmica del cilindro 7.4.2.2 carga térmica de las tapas 7.5 Coeficiente global total. 7.6 Carga térmica total del cilindro. 7.7 Transferencia de calor por radiación y convección. UNIVERSIDAD UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

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7.8 Carga térmica total que fluye por el entorno. 7.9 Carga térmica total del sistema de refrigeración. 7.10 Diferencia media logarítmica de temperatura. VIII.

SELECCIÓN DEL REFRIGERANTE

IX.

CONSTRUCCION DEL CICLO TERMODINAMICO 9.1 Condiciones de condensación y evaporación. 9.2 Esquema del ciclo termodinámico. 9.3 Calculo de las magnitudes fundamentales del ciclo. 9.3.1 efecto refrigerante 9.3.2 flujo másico del refrigerante. 9.3.3 potencia del compresor. 9.3.4 calor rechazado por el compresor. 9.3.5 coeficiente de funcionamiento. 9.3.6 potencia por tonelada.

X.

SELECCIÓN DE LOS EQUIPOS DE REFRIGERACION 10.1 10.2 10.3 10.4

XI.

Selección del compresor. Selección del condensador. Selección del dispositivo de expansión. Selección del evaporador.

SELECCIÓN DE TUBERIAS 11.1 Datos del proyecto. 11.2 Material utilizado. 11.3 Selección y dimensionamiento de la tubería y accesorios. 11.3.1 Tubería de admisión. 11.3.2 Tubería de descarga. 11.3.3 Tubería de líquido. 11.4 Accesorios.

XII.

CONCLUSIONES

XIII.

BIBLIOGRAFIA

XIV.

ANEXOS UNIVERSIDAD UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

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REFRIGERACIÓN, AIRE ACONDICIONADO Y CALEFACCIÓN I.

INTRODUCCIÓN:

La refrigeración es un proceso termodinámico, donde se extrae el calor de un cuerpo o espacio (bajando así su temperatura) y llevarlo a otro lugar donde no es importante su efecto. Los fluidos utilizados para extraer la energía cinética promedio del espacio o cuerpo a ser enfriado, son llamados refrigerantes, los cuales tienen la propiedad de evaporarse a bajas temperaturas y presiones positivas. Con motivo de aplicación de la refrigeración en los procesos industriales, vamos a ver el proceso de conservación de la leche fresca. Por eso, es indispensable contar con las medidas, parámetros y equipos adecuados para su conservación. La leche fresca se define como el producto integro de la secreción mamaria sin adición ni saturación alguna y que se ha obtenido del ordeño de las hembras que han parido. La leche está compuesta por agua, grasa, proteínas, carbohidratos, vitaminas, minerales y enzimas. El contenido de grasa en la leche varia de 2.5  –  5%, lo cual depende de la raza de vacas lecheras con las que trabaje el establo. La suma del contenido de grasa, proteínas, lactosa y de minerales determina el nivel de sólidos totales de la leche. La concentración de proteínas es muy importante para una buena coagulación de la leche en la fabricación de quesos y yogurt, el contenido de proteínas en la leche está entre 2.5  –  3.5%; el principal carbohidrato de la leche es la lactosa y su contenido varia de 4.8  – 5.0%. Si el establo trabaja con vacas Jersey, la leche tendrá 4.9% de grasas, 3.8% de proteínas y 14.17% de sólidos; si se trabaja con ganado Holstein el porcentaje de grasas será de 3.7%, el de proteínas 3.1% y el de sólidos totales de 12.13%; en el caso de la raza Brown Swiss el contenido de grasa es de 4.0%, el de proteínas de 3.5% y el de sólidos totales de 13.92%. Independientemente de la raza de vacas con las que se trabaje, la leche debería venderse debidamente enfriada y libre de tuberculosis.

II.

GENERALIDADES:

Hoy, el Perú tan carente de una dieta adecuada, requiere fomentar y promover su ganadería nacional, así como el incrementar el consumo de leche de su población y defender la idea de la necesidad de un mayor consumo de proteínas de origen animal y productos lácteos per cápita en nuestro país. En su acepción más general, la leche es un alimento primordial segregado por las glándulas mamarias de los mamíferos con la finalidad de nutrir las crías en su primera fase de vida. Con la aparición de la producción láctea, los humanos inventamos un mecanismo inter UNIVERSIDAD UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

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especies para amamantar a nuestra prole, así se alivió a la mujer de la función biológica a la que estaba atada, y comienza un ciclo de auto modificación, ajena a la evolución natural, en la que la cultura moldeará los futuros cambios genéticos de los organismos de su entorno, como de si mismo. Leches utilizadas en la alimentación desde tiempos ancestrales son las leches de oveja, cabra y vaca; siendo las de burra, yegua, reno y camello las menos relevantes. La composición de la leche varía con la especie, raza, tipo de alimentación, estado sanitario y fisiológico del animal, época del año y el número de ordeños: COMPOSICIÓN DE LA LECHE SEGÚN LA ESPECIE (en %) ESPECIE GRASA PROTEINAS SÓLIDOS TOTALES Humana 3.75 1.63 12.57 Vacuna 3.70 3.50 12.80 Búfalo de agua 7.45 3.78 16.77 Cebú 4.97 3.18 13.45 Caprina 4.25 3.52 13.00 Ovina 7.90 5.23 19.29 Asnal 1.10 1.60 9.60 Caballar 1.70 2.10 10.50 Camélida 4.10 3.40 12.80 Reno 12.46 10.30 36.70

Como se aprecia en el cuadro anterior las leches difieren ampliamente en su composición de acuerdo a especie de la que proviene: la humana es más rica en hidratos de carbono y más pobre en proteínas; la de oveja, búfalo y rena son las más ricas en energía debido a su alto contenido de grasas y proteínas. En la actualidad, el hombre utiliza para alimentarse en gran escala, un sucedáneo de la leche materna de su propia especie, la leche de vaca.

III.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y OBJETIVOS:

Elaborar el cálculo energético de una cámara de refrigeración para preservar y mantener leche fresca hasta antes de su traslado a planta, con una capacidad de 3000 L. 3.1.

OBJETIVO GENERAL:  Diseñar y evaluar un equipo de refrigeración de leche cruda para su utilización en el sitio de producción, ajustado a las condiciones de producción lechera.

3.2.

OBJETIVO ESPECIFICO:  Conocer los fundamentos de la teoría de la refrigeración por medio de la compresión de vapor, los componentes del ciclo de refrigeración y el funcionamiento básico para poder tener un buen criterio técnico en la selección

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

IV.

de equipos para el enfriamiento de leche. Determinar la operabilidad, eficiencia y eficacia del equipo, con el ánimo de cuantificar y validar su desempeño.

MARCO TEORICO: 4.1.

 Antecedentes:

La temperatura es un factor importante en el mantenimiento de la calidad de los alimentos, así como del confort de personas y animales. En este tema nos referiremos a la conservación de leche en tanques de refrigeración, indicando cuáles son las posibles ganancias o pérdidas de calor (cargas térmicas) que se producen en las mismas. La refrigeración como sistema de conservación alimentaria, especialmente de la leche cruda no es un tema nuevo. La industria láctea tiene definida las condiciones de conservación de sus materias primas a través de tanques de almacenamientos con doble pared (enchaquetados), entre las cuales se hace fluir agua con temperatura de entre 2 y 4°C, la que por transferencia térmica mantiene la leche almacenada en condiciones óptimas de conservación. 4.2.

Definición de la leche:

La leche, es un líquido nutritivo de color blanquecino, producido por las hembras de los mamíferos. La principal función de la leche es la de alimentar a las crías hasta que sean capaces de digerir otros alimentos. La leche de los mamíferos domésticos es un alimento básico para el hombre, así tenemos: de vaca, principalmente, pero también de oveja, cabra, de yegua, de camella, de dromedaria, etc. La leche es producida por las células secretoras de las glándulas mamarias o mamas (llamadas "ubres" en los mamíferos domésticos). La leche se sintetiza fundamentalmente en la glándula mamaria, pero una gran parte de sus constituyentes proviene del suero de la sangre. La leche producida durante los primeros cuatro días después del parto es inadecuada para elaboración de productos lácteos debido a su diferente composición. Esta clase de leche se llama calostro. 4.3.

Composición de la leche:

La leche esta compuesta básicamente por un aproximado de 87.5% de agua y un 12.5% de solidos, o sea por 100 litros de leche 87.5 litros son de agua y un 12.5 litros son de solidos; veamos el siguiente cuadro:

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Componente Agua Hidratos de carbono (lactosa) Materia grasa Proteínas Vitaminas Sales minerales

Porcentaje 87.5 4.6 3.8 3.3 0.3 0.5

Las sales y la lactosa se encuentran disueltas en el agua formando una solución verdadera. La mayoría de las sustancias proteicas no son solubles y forman conjuntos de varias moléculas. Sin embargo, estos conjuntos son tan pequeños, que la leche forma una mezcla muy compleja y de tipo heterogénea, aparentemente con las mismas características. Este tipo de solución se llama solución coloidal, y se divide en tres fases: 

 

Solución: los minerales así como los hidratos de carbono se encuentran disueltos en el agua Suspensión: las sustancias proteicas se encuentran con el agua en suspensión. Emulsión: la grasa en agua se presenta como emulsión.

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REFRIGERACIÓN, AIRE ACONDICIONADO Y CALEFACCIÓN 4.4.

Microbiología de la leche:

La microbiología está estrechamente relacionada con todos los sectores de la industria lechera. Los principios microbiológicos son la base de las técnicas de producción higiénica de la leche, dirigen muchos de los tratamientos para su transformación industrial y son el fundamento de los métodos de conservación de los productos lácteos. La calidad de la leche y los productos lácteos depende en gran parte de su microbiología. Un aspecto fundamental de la calidad de la leche es su flora microbiana. Desde el punto de vista cuantitativo, se considera que las leches con bajo niveles de población son de mejor calidad. Además del número, el tipo de microorganismos presentes en la leche también influye tanto en el aspecto higiénico como en el de la transformación. La leche, además de tener una composición química adecuada, tiene que ser de buena calidad higiénica; éste es un aspecto esencial para la salud pública, para la calidad de los productos lácteos y para que la leche pueda someterse a los distintos tratamientos tecnológicos. 4.5.

Propiedades de la leche (análisis organoléptico):

 Aspecto: La leche fresca es de color blanco aporcelanada, presenta una cierta coloración crema cuando es muy rica en grasa. La leche descremada o muy pobre en contenido graso presenta un blanco con ligero tono azulado. 



Olor:

Cuando la leche es fresca casi no tiene un olor característico, pero adquiere con mucha facilidad el aroma de los recipientes en los que se la guarda; una pequeña acidificación ya le da un olor especial al igual que ciertos contaminantes. 

Sabor:

La leche fresca tiene un sabor ligeramente dulce, dado por su contenido de lactosa. Por contacto, puede adquirir fácilmente el sabor de hierbas.

4.6.

Propiedades físicas de la leche:

Densidad: La densidad de la leche puede fluctuar entre 1.028 a 1.034 g/cm 3 a una temperatura de 15ºC; su variación con la temperatura es 0.0002 g/cm3 por cada grado de temperatura. 

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La densidad de la leche varía entre los valores dados según sea la composición de la leche, pues depende de la combinación de densidades de sus componentes, que son los siguientes: Componentes Agua Grasa Proteínas Lactosa Minerales

Densidad(g/cm3) 1.000 0.931 1.346 1.666 5.500

La densidad mencionada (entre 1.028 y 1.034 g/cm3 ) es para una leche entera, pues la leche descremada esta por encima de esos valores (alrededor de 1.036 g/cm3), mientras que una leche aguada tendrá valores menores de 1.028 g/cm3. 

PH de la leche:

La leche es de característica cercana a la neutra. Su pH puede variar entre 6.5 y 6.65 Valores distintos de pH se producen por deficiente estado sanitario de la glándula mamaria, por la cantidad de CO2 disuelto; por el desarrollo de microorganismos, que desdoblan o convierten la lactosa en ácido láctico; o por la acción de microorganismos alcalinizantes. 

 Acidez de la leche:

Una leche fresca posee una acidez de 0.15 a 0.16%. Esta acidez se debe en un 40% a la neotérica, otro 40% al aporte de la acidez de las sustancias minerales, CO 2 disuelto y acidez orgánicos; el 20% restante se debe a las reacciones secundarias de los fosfatos presentes. Una acidez menor al 15% puede ser debido a la mastitis, al aguado de la leche o bien por la alteración provocada con algún producto latinizante. 

Viscosidad:

La leche natural, fresca, es más viscosa que el agua, tiene valores entre 1.7 a 2.2 centipoise para la leche entera, mientras que una leche descremada tiene una viscosidad de alrededor de 1.2 cp. La viscosidad disminuye con el aumento de la temperatura hasta alrededor de los 70ºC, por encima de esta temperatura aumenta su valor. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

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REFRIGERACIÓN, AIRE ACONDICIONADO Y CALEFACCIÓN Punto de congelación:



El valor promedio es de -0.54ºC (varía entre -0.513 y -0.565ºC). Como se precia es menor a la del agua, y es consecuencia de la presencia de las sales minerales y de la lactosa. Punto de ebullición:



La temperatura de ebullición es de 100.17ºC. Calor especifico:



La leche completa tiene un valor de 0.93 - 0.94 cal/gºC, la leche descremada 0.94 a 0.96 cal/gºC. 4.7.

Tratamientos de la leche:

Después de recibida la leche en la planta industrial, es sometida a una serie de tratamientos que dependerán del destino final de la misma. Estos tratamientos son:     

Enfriamiento. Higienización. Homogeneización. Tratamiento térmico (Pasteurización). Enfriamiento:

La leche, luego de su recepción es enfriada a temperaturas de alrededor de 4ºC y almacenada a esta temperatura. Este enfriamiento se realiza en un intercambiador de color de placas (este equipo se describió en el tema de pasteurización), utilizándose agua helada como fluido enfriador. Antes se usaba un enfriador de superficie (todavía se lo utiliza en algunas plantas). 4.8.

Tanque para la conservación de la leche:

En el marco de la producción lechera, un tanque de leche o enfriador de leche a granel es una tina de depósito empleada para enfriar y conservar la leche a baja temperatura hasta que ésta pueda ser retirada por un camión de recolección de leche. La refrigeración de tanques de enfriamiento y almacenamiento de leche en el campo, es por su característica considerada como un servicio pesado para el compresor de refrigeración. Si bien el rango de trabajo de la máquina está dentro del rango llamado de alta temperatura de evaporación, la ubicación del equipo, la calidad de la instalación del sistema y el trabajo ininterrumpido a lo largo de todo el año se complementan para crear una serie de riesgos que no se encuentran frecuentemente en equipos de refrigeración comercial convencionales. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

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4.8.1. Características:

Generalmente fabricado en acero inoxidable y utilizado todos los días para conservar en buenas condiciones la leche ordeñada; éste debe ser cuidadosamente lavado tras la recolección. El tanque de leche puede pertenecer al dueño del establecimiento (llamado también productor lechero) o de la industria láctea (empresa que se ocupa de la recolección y transformación de la leche). 4.8.2. Tipos de tanques de leche:

El productor tiene la opción entre tanques abiertos (de 150 a 3000 L) y cerrados (de 1000 a 10.000 litros), ya sea de expansión directa o de reserva de agua congelada. El precio puede variar de mucho, según las normas de fabricación y si el tanque es comprado nuevo o de segunda mano. El tipo y la capacidad del tanque dependen de:      

la cantidad de animales la cantidad de nacimientos de la frecuencia de la recolección de la leche de la calidad de leche deseada de la disponibilidad y los costos ligados a la energía y al agua de las posibilidades de desarrollo de la explotación lechera.

En los sistemas de expansión directa, la leche es enfriada por placas que están en contacto directo con la tina interior del tanque. Con el sistema de reserva de agua congelada, la leche es enfriada cuando el agua congelada pasa por la pared interna del tanque. Los silos para leche (10.000 litros y más) son utilizados por los grandes productores. Están concebidos para ser instalados en el exterior, cerca del tambo. Todos los sistemas de comando y la entrada y salida se encuentran en un ambiente cubierto y cerrado. 4.8.3. Descripción de un tanque de leche:

Un tanque de leche o enfriador de leche consiste en una tina interior y otra exterior, realizadas en acero inoxidable de calidad alimenticia. El tanque de expansión directa, soldado en el interior, tiene un sistema (evaporador) de placas y tubos en los que circula gas refrigerante (R22). Ese gas absorbe el calor del líquido contenido en la tina (la leche). Los tanques de expansión directa se entregan con un compresor y una grilla de condensación en la que también circula gas refrigerante. El mismo principio que para un refrigerador/heladera (refrigeración por compresión). El espacio entre las dos tinas está recubierto de una espuma de poliuretano aislante. En el caso de tener problemas de electricidad y con una temperatura exterior de 30º, el contenido UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

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no debería recalentarse a más de 1º por cada 24h. Para permitir un enfriado rápido y adecuado de la totalidad del contenido de la tina, cada tanque está equipado de al menos un agitador. La agitación de la leche permite que toda la leche en el interior de la tina quede homogénea y a la misma temperatura. En lo alto del tanque cerrado hay un visor para su inspección y para la limpieza manual, si fuera necesario. Este visor está cerrado con una tapa hermética. El tanque de leche reposa sobre 2, 4 u 6 patas ajustables. La tina exterior está ligeramente inclinada para permitir la total evacuación de la leche. En la parte inferior del tanque, hay una salida de vaciado, generalmente roscada con o sin válvula. Todos los tanques tienen un termómetro que permite verificar la temperatura del interior del tanque. La mayoría de los tanques tienen un sistema de lavado automático: se utilizan agua fría y caliente combinada con productos de limpieza ácidos y básicos. Una bomba y un difusor lavan el interior, lo que permite conservar ese espacio limpio cada vez que el tanque es vaciado. Casi todos los tanques disponen de una caja de comandos con un termostato que controla el proceso de enfriado. La persona responsable puede poner en marcha o detener el tanque, comandar la agitación de la leche, iniciar el proceso de lavado del interior del tanque y reiniciar el sistema. Los tanques más recientes y de gran capacidad están equipados con un sistema de control y alarma. Esos sistemas verifican la temperatura del interior del tanque, el funcionamiento del agitador, el equipo de frío y la temperatura del agua de lavado. En caso de mal funcionamiento, se dispara una alarma. Esos sistemas pueden además guardar en la memoria la temperatura y el mal funcionamiento por un determinado período.

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REFRIGERACIÓN, AIRE ACONDICIONADO Y CALEFACCIÓN 4.9.

Preenfriado de la leche:

Por razones de economía de energía y de calidad de leche, lo ideal es preenfriar la leche desde la salida de la ubre antes que entre al tanque, utilizando tubos de enfriado en los que circula agua fría proveniente de un pozo o de un reservorio de agua helada. Este sistema permite enfriar significativamente la leche antes de entrar al tanque. 4.10. Temperatura de enfriado:

La temperatura normal de depósito de leche es de 3 o 4 ºC. Para la fabricación de queso de leche cruda, lo ideal es conservar la leche a 12 ºC de este modo, las características de la leche estarán mejor preservadas. El tanque de leche casi nunca se llena completamente de una sola vez. Un tanque equipado para dos ordeñes está concebido para enfriar el 50% de su capacidad de una sola vez. Un tanque equipado para cuatro ordeñes está concebido para enfriar el 25% de su capacidad de una sola vez y uno para seis ordeñes, un 16,7% de su capacidad. La capacidad de enfriado depende de la cantidad de ordeñes necesarios para llenar el tanque, de la temperatura ambiente y del tiempo de enfriado. El lavado automático es utilizado en todos los tanques cerrados. Este es activado por el recolector de la leche, luego del vaciado del tanque. Un lavado en caliente comprende las siguientes etapas:      

V.

Pre-lavado con agua fría Pre-lavado con agua caliente para calentar las paredes de la tina interior. Proyección de una solución a base de detergente y agente esterilizante a 50º C durante diez minutos. Enjuague con agua fría (en algunos caso, clorada). Enjuague final con agua potable fría. Los tanques lavados con ácido deben ser tratados con productos para hacer desaparecer la piedra de leche.

SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO: 5.1.

Sistemas de enfriamientos modernos:

Los sistemas de enfriamiento modernos transfieren el calor de la leche vía agentes enfriantes tanto para agua o aire. Esta transferencia se hace vía una pared separada, entonces nunca hay un contacto directo con la leche. El refrigerante o agente enfriante absorbe el calor de la leche dentro del evaporador. Cada refrigerante tiene, por una cierta presión, su punto de ebullición. El rango de enfriamiento depende del diseño del equipo. La temperatura final depende del termostato o el flujo de la leche a través de las láminas enfriantes. Grandes diferencias de enfriamiento aumentan el rango de enfriamiento. La alta velocidad y el movimiento turbulento del líquido a lo largo de la pared mejorarán la tasa de transferencia del calor. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

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Si la leche es enfriada en una manera moderna, se necesita electricidad para generar la temperatura requerida. La electricidad arranca la unidad de condensamiento, que condensa el líquido evaporado y hace del proceso un ciclo continuó. 5.1.1. Ciclo de enfriamiento:

El ciclo de enfriamiento puede ser dividido en baja presión y alta presión. Lado de baja presión: El evaporador en llenado parcialmente con refrigerante. Cuando el compresor arranca, el gas es succionado. Debido a esto la presión de crecerá. El líquido comienza a hervir en cuanto la presión disminuye por debajo de la presión de la temperatura presente. Partes correspondientes al refrigerante se evaporaran y sacaran el calor que permanezca en medio enfriante. Esto hace más fría a la parte que queda. Si la temperatura se reduce por debajo de la temperatura de la leche, el calor fluirá de la leche al refrigerante hirviente. Este calor provoca la evaporación de una parte del refrigerante. La temperatura permanecerá constante una vez que la cantidad de calor, que es transportada por el compresor, está balanceada con la cantidad de calor de la leche. 

Lado de alta presión El lado de alta presión del compresor está conectado el condensador. El propósito del condensador es remover el calor condensado en el área de alrededor. El compresor bombea el gas dentro del condensador. Mientras la presión se mantenga por debajo de la presión correspondiente a la temperatura de condensación, solo la presión se levantará. Apenas la presión se levanta por encima de la presión correspondiente a la temperatura de condensación, una transferencia de calor comenzará desde el gas al área circundante. Primero "el súper calor" se quita. El súper calor es la diferencia de temperatura entre el gas calentado por sobre el punto de ebullición y el punto de ebullición. La condensación comenzará después de esto. Para condensar con una cierta capacidad, se necesita una diferencia de temperatura particular. La presión será constante apenas la diferencia de temperatura sea suficientemente grande para condensar todo el gas bombeado por el compresor. 

Para hacer continuo a este proceso, el líquido en el condensador debe ser debe ser alimentado en el evaporador. Como la presión en el condensador siempre es más alta que en el evaporador, esto puede ser fácilmente hecho mediante la instalación de un tubo conector del condensador al evaporador. Si una válvula es montada en este tubo, la cantidad de refrigerante puede ser ajustada. Normalmente esta válvula es automática, y es llamada la válvula de expansión termostática. Esta válvula mide la presión del evaporador y a temperatura del tubo de succión. La válvula se abre más o menos de acuerdo al súper calor.

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Índice de la figura: 1. Compresor: Una bomba de gas crea presión en el evaporador (baja temperatura) y alta presión en el condensador (alta temperatura). 2. Presóstato: Usado principalmente para proteger la parte de condensación de la instalación. Si la presión llega muy alta, el presóstato lo regulara. También se usa como protector contra la baja presión causada por el goteo del refrigerante como un UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

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interruptor para parar el compresor al final del ciclo de vaciado. 3. Condensador: Esa la parte en donde se condensa el refrigerante. El calor del gas es liberado en el aire y luego el gas se convierte en líquido. 4. Recibidor líquido: Hecho para ser el lugar de almacenamiento del refrigerante. Si la instalación esta en operación, el recibidor esta casi vacío. Si la instalación para y el sistema de vaciado esta instalado, el refrigerante se almacena en el recibidor. 5. Filtro/secado: El filtro es usado para sacar todas las partes solidas del líquido. El secador es usado para sacar la humedad en una pequeña cantidad en el refrigerante. 6. Válvula solenoide: En instalaciones con sistema de bombas, esta válvula para flujo del líquido del evaporador. 7. Visor: Aporta la posibilidad de revisar si hay suficiente refrigerante en la instalación. 8. VET: Aporta la misma cantidad de refrigerante, en forma liquida, de vuelta al evaporador mientras el compresor saca el gas. 9. Evaporador: Parte en donde el refrigerante se evapora y consecuentemente le saca el calor a la leche. 10.Termostato: Controla la temperatura de la leche enfriada, prendiendo o apagando al compresor dependiendo de la temperatura. 5.2.

Enfriamiento en banco de hielo:

En sistemas de enfriamiento indirecto el evaporador está situado en una reserva rellena con el conductor de calor, en su mayor parte agua. El evaporador consiste en un sistema de tuberías o bobinas en el cual el refrigerante se evapora y enfría el conductor de calor.

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La gran ventaja del sistema del sistema de banco de hielo es que permite que la capacidad de enfriamiento se almacene en una reserva aislada con un conductor de calor y un "amortiguador de frío" o "amortiguador de hielo". En áreas donde no hay energía suficiente, el sistema del banco de hielo es una solución de enfriamiento eficaz. La formación de hielo alrededor de las tuberías forma una amortización de frío que se puede usar para enfriar la leche. El amortizador de frío hace posible enfriar en áreas en donde la energía es más cara, o en donde el uso de la electricidad es limitado y significa que el sistema de enfriamiento puede apagarse para evitar la saturación de energía durante el ordeño. VI.

METODO DE DISEÑO EMPLEADO: 6.1.

Enfriamiento de expansión directa:

Este es el sistema de enfriamiento de leche más común. La base del tanque ha sido designada como un evaporador, mientras que el calor de la leche va a través de la pared de acero inoxidable al refrigerante. El refrigerante se evapora, quitándole el calor a la leche. Dado que los tanques de expansión directa no tienen un amortiguador del frío, siempre tiene que haber disponible energía. En este tipo de sistema, la leche se enfría directamente y se agita después de llegar al tanque. La refrigeración y el almacenamiento de la leche también influyen en la calidad. Se han establecido varias disposiciones sobre refrigeración y almacenamiento de la leche para proteger la calidad y reducir el desarrollo de bacterias durante el proceso de almacenamiento. La leche a temperatura corporal, no refrigerada, es ideal para favorecer el desarrollo de bacterias. Cuanto más rápido se enfríe la leche (menos de 40 ºF o -4,44 ºC), tendrá más posibilidades de reducir el recuento de bacterias.

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REFRIGERACIÓN, AIRE ACONDICIONADO Y CALEFACCIÓN 6.1.1. Refrigeración por compresión mecánica:

En la actualidad el frío se produce principalmente mediante sistemas de refrigeración por compresión mecánica, de forma que el calor se transmite desde la cámara de refrigeración hasta una zona en la que pueda eliminarse más fácilmente. La transferencia de calor se realiza mediante un fluido “refrigerante” que cambia de estado, de líquido a vapor, a una temperatura de ebullición

muy baja y con una entalpía o calor latente de vaporización alto. Una vez que el refrigerante está en estado de vapor se comprime mecánicamente (aumentando su presión) de forma que vuelve al estado líquido y vuelve a utilizarse cíclicamente. Se establece así un ciclo termodinámico cuyo límite teórico sería el ciclo de Carnot. El sistema de refrigeración se denomina entonces como sistema de compresión de vapor. VII.

DISEÑO METODOLOGICO: 7.1.

Dimensiones del tanque:

      

y  Material: acero inoxidable de y   Aislante: Poliuretano de Tanque: Consiste en dos cilindros concéntricos con sus respectivas tapas, y entre ellos se colocara el aislante: Tanque interno: diámetro interno es

 

y su longitud es

 

Cuyo volumen será:

        (  )  7.2.

Propiedades térmicas de la leche:

, las cuales son:                                       Las propiedades de la leche se toman a

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18

REFRIGERACIÓN, AIRE ACONDICIONADO Y CALEFACCIÓN

                               Otros datos:

         7.3.

Calculo del flujo másico:

               7.4.

Calculo de la carga térmica del sistema de refrigeración:

7.4.1. Carga térmica de la leche:

La conservación de la leche se realiza a temperatura > 32°K ó > 0°C , por tanto no existe cambio de fase. Al no existir cambio de fase, el cálculo de carga térmica de la leche es:

                Para la selección final de los equipos se aplica un margen de seguridad de 10%, del calor total a extraer es:

          7.4.2. Carga térmica del tanque: 7.4.2.1. Carga térmica en el cilindro:

Además de la Carga Térmica de la leche, se tiene perdidas por el cilindro y por las tapas, las cuales se calculan a continuación:

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REFRIGERACIÓN, AIRE ACONDICIONADO Y CALEFACCIÓN

Donde:

                                                      El coeficiente de convección externo del aire se elije del siguiente rango:       Para nuestro caso elijamos:       Hallando el coeficiente de convección interno: Para tanques agitados mediante aspas de las siguientes dimensiones: gira a

    

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    20

y

REFRIGERACIÓN, AIRE ACONDICIONADO Y CALEFACCIÓN 

Velocidad media:



Numero de Reynolds:

                  

Donde:

                     Remplazando datos:

     

Numero de Prandt:

        

Numero de Nusselt:

        Donde para la leche: tenemos; Entonces:



  

        

Coeficiente de convección:

                     

Calculo del área interna y externa del cilindro:

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REFRIGERACIÓN, AIRE ACONDICIONADO Y CALEFACCIÓN

                

Calculo de las resistencias térmicas:

                                                          

La resistencia térmica total será:



  ∑    



Coeficiente global del cilindro:

            

Calculo de la carga térmica:

        

      

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22

REFRIGERACIÓN, AIRE ACONDICIONADO Y CALEFACCIÓN 7.4.2.2.



Carga térmica en las tapas:

Área de las tapas:

            

Calculo de las resistencias térmicas:

                                               

La resistencia térmica total será:



  ∑    

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23

REFRIGERACIÓN, AIRE ACONDICIONADO Y CALEFACCIÓN 

Coeficiente global del cilindro:

          

Calculo de la carga térmica:

        

       7.5.

Coeficiente global total:

                7.6.

Carga térmica total del cilindro:

               7.7.

Transferencia de calor por radiación y convección:

Además del calor por cargas continuas del tanque y por carga térmica por producto, se puede determinar la Transferencia de calor por Radiación y Convección. Calor que entra al Tanque por convección y radiación se obtiene según las Ecuaciones.

           

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REFRIGERACIÓN, AIRE ACONDICIONADO Y CALEFACCIÓN 

Razón de radiación:

                                            

 Área del tanque:

               7.8.

Carga térmica total que fluye del entorno:

                7.9.

Carga térmica total del sistema:

               En toneladas, seria:

     

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REFRIGERACIÓN, AIRE ACONDICIONADO Y CALEFACCIÓN 7.10. Diferencia media logarítmica te temperatura:

      Donde:

          Entonces

          VIII.

SELECCIÓN DEL REFRIGERANTE:

Elegiremos el refrigerante R-22 (CHCLF2) tiene un punto de ebullición a la temperatura atmosférica de -41.4°F (-40.8°C). Originalmente fue desarrollado como refrigerante para baja temperatura. Se le ha usado extensamente en congeladores domésticos y de granjas y en sistemas comerciales e industriales de temperatura baja, las temperaturas en el evaporador son tan bajas como -125°F (-87°C). Perteneciente al grupo de los HCFC, aunque ahora se está tratando de disminuir su empleo. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

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REFRIGERACIÓN, AIRE ACONDICIONADO Y CALEFACCIÓN



CARACTERISTICAS: o o o o o o

IX.

Refrigerante Nombre Fórmula Química Grupo de Refrig. Peso Molecular Punto de Ebullición

: : : : : :

                

CONSTRUCCIÓN DEL CICLO TERMODINAMICO DE REFRIGERACION: 9.1.

Condiciones de condensación y evaporación:

9.1.1. Condiciones de evaporación:

     Entonces

          Para una temperatura de evaporación de  , se tiene una presión de evaporación de:   9.1.2. Condiciones de condensación:

      

Elegimos una relación de compresión de

   

  Para esta presión de condensación le corresponde una temperatura de condensación de:

    UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

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REFRIGERACIÓN, AIRE ACONDICIONADO Y CALEFACCIÓN 9.2.

Esquema del ciclo termodinámico:

9.3.

Calculo de las magnitudes fundamentales del ciclo:

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REFRIGERACIÓN, AIRE ACONDICIONADO Y CALEFACCIÓN Punto 1:

          Punto 2:

      Por interpolación grafica como se muestra en la grafica 3.2:  Diagrama p-h del R22

     Por interpolación de la tabla 2.7:  Entalpía del líquido subenfriado y el vapor  sobrecalentado para el R22  P(KPa)

h(KJ/Kg) a 50°C

h(KJ/Kg) a 60°C 

1192

431.6

439.8 

1307.52

429.7573

438.17 

1355

429

437.5

 h(KJ/Kg)

T(°C)

429.7573

50

435

56.2319

438.17

60

Por lo tanto:

     Punto 2´:

      

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REFRIGERACIÓN, AIRE ACONDICIONADO Y CALEFACCIÓN Punto 3:

         Punto 4:

         9.3.1. Efecto refrigerante:

     9.3.2. Flujo másico del refrigerante:

               9.3.3. Potencia del compresor: 

Potencia teórica:

               

Potencia Real: Para la potencia del compresor, tomar en cuenta un factor de seguridad del 20%:

      

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REFRIGERACIÓN, AIRE ACONDICIONADO Y CALEFACCIÓN 9.3.4. Calor rechazado por el condensador:

         9.3.5. Coeficiente de funcionamiento:

           

 9.3.6. Potencia por tonelada:

       X.

SELECCIÓN DE LOS EQUIPOS DE REFRIGERACION:

10.1. Selección del compresor: Se va a emplear un compresor alternativo (reciprocante), ya que según recomendaciones bibliográficas es utilizado para refrigerar menos de 50 Ton, por lo tanto nuestra cantidad en masa a refrigerar está dentro del rango recomendado. Datos: :  Carga frigorífica :  Potencia





Temperatura de evaporación

   : 

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REFRIGERACIÓN, AIRE ACONDICIONADO Y CALEFACCIÓN

Con los datos anteriores, se selecciona el compresor en el Catálogo Danfoss: Marca : Modelo : Capacidad : Tipo :

     

10.2. Selección del condensador: Elegimos un Condensador enfriado por aire de tiro forzado con ventilador .

10.2.1.

Calculo de la capacidad del condensador

        Dónde:    

 : Capacidad del Compresor.

FDT : Factor de Diferencia de temperatura. FRC : Factor de Rechazo de Calor. FCH : Factor de corrección de altura.

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REFRIGERACIÓN, AIRE ACONDICIONADO Y CALEFACCIÓN

Utilizando como referencia las tablas del libro Dossat:

    

Para las condiciones de tenemos:

y la

 

y usando la tabla 4-1A,

Para una diferencia de temperatura en el Condensador (DT) hallamos el FDT.

          Entonces tenemos que el    Para una altura promedio de 20m = 65.6168 pies (Para Trujillo) hallamos FCH.

   Por lo tanto:

          

Pero: Entonces:

           

Según la Tabla R-14A obtenemos:    

Tamaño de la unidad : Capacidad total : N° circuitos disponibles : Capacidad por circuito :

      

10.3. Selección del dispositivo de expansión:

Para poder seleccionar la válvula adecuada se tienen que considerar los siguientes datos:

 :  :       



Temperatura evaporación :



Carga frigorífica



Diferencia de presiones

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Utilizando la tabla R-21 de Dossat:    

Tipo Temperatura evaporador Diferencia de presiones Tonelada de refrigeración

: : : :

       

10.4. Selección del evaporador:

Se utilizará un evaporador de serpentín de tubo aleteado por convección forzada (ventilador) con el criterio de que ocupa menor espacio en comparación con el evaporador por convección natural y también porque las aletas incrementan el proceso de transferencia de calor. El flujo de calor que debe ser absorbido en el evaporador es de:

   Y para el motor es de:   Por lo tanto la carga de enfriamiento total se obtiene:

    

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     

XI.

Modelo Capacidad Superficie Caudal de aire Dardo de aire N° de ventiladores

: : : : : :

           

SELECCIÓN DE TUBERIAS: 11.1. Datos del proyecto:       

Capacidad frigorífica Cantidad de producto Temperatura de evaporación Temperatura de condensación Presión de evaporación Presión de condensación Diferencia de presiones

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: : : : : : :

           35

REFRIGERACIÓN, AIRE ACONDICIONADO Y CALEFACCIÓN 11.2. Material utilizado: El tipo de material empleado en tuberías para refrigeración depende del tamaño y naturaleza de la instalación, del refrigerante utilizado, del costo de los materiales y de la mano de obra, se va a utilizar tuberías de cobre, puesto que tiene la ventaja de ser de peso liviano, tiene mayor resistencia a la corrosión y es más fácil de instalar que otros materiales (hierro dulce y acero).

Los diámetros de tubo que se emplean en refrigeración son: Denominación del tubo Diámetro nominal (mm) Diámetro exterior (mm) Espesor (mm) Peso por metro (Kg) Sección interior (cm 2)

¼” 1/8”

3/8” 1/4”

½” 3/8”

5/8” 1/2”

¾” 5/8”

7/8” ¾”

1” 7/8”

6.35 9.52 12.7 15.87 19.05 22.22 25.4 1 1 1 1 1.05 1.14 1.2 0.151 0.241 0.331 0.419 0.512 0.594 0.689 0.166 0.465 0.933 1.561 2.29 3.122 4.16

1 1/8”

1 3/8”

1 5/8”

1”

1 ¼”

1 ½”

28.57 1.27 0.975 5.32

34.92 1.4 1.315 8.107

41.28 1.52 1.696 11.4

Características generales de los tubos de cobre: PROPIEDADES Peso especifico (kg/dm³) Temperatura de fusión (°C) Calor especifico Temperatura de recocido (°C) Temperatura de forja (°C) Alargamiento (%)

ESTIRADO 8.9 1083 0.092 750-900 3a5

RECOCIDO 8.9 1083 0.092 500 750-900 28 a 30

11.3. Selección y dimensionamiento de la tubería y accesorios:

La tubería del refrigerante debe ser diseñada de tal forma que cumpla con los siguientes requisitos: Asegurar un suministro de refrigerante adecuado para el evaporador.  Asegurar un regreso positivo y continuo de aceite al cárter del compresor.  Evitar la entrada de refrigerante líquido al compresor, etc.  11.3.1. Tubería de admisión: De la tabla 19.3 de Dossat: para la  de capacidad por tubería y un



 

 el tubo de diámetro  ⁄     

tiene

Longitud equivalente de la tubería: Donde: 

      : longitud de accesorios ()

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REFRIGERACIÓN, AIRE ACONDICIONADO Y CALEFACCIÓN

      Para la   el factor de corrección es , por lo tanto, el tonelaje corregido será:                   Del grafico de la pag.283 Dossat, tenemos que la pérdida de temperatura equivalente será:

     

   

               

    11.3.2. Tubería de descarga: De la tabla 19.3 de Dossat: para la  de capacidad por tubería y un



 

 el tubo de diámetro  ⁄   

tiene

Longitud equivalente de la tubería:

     Donde:  : longitud de accesorios ()       Para la   el factor de corrección es , por lo tanto, el tonelaje corregido será:                   

Del grafico de la pag.283 Dossat, tenemos que la pérdida de temperatura equivalente será:

        UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

    37

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       

            11.3.3. Tubería de liquido: De la tabla 19.3 de Dossat: el tubo de cobre de tiene una capacidad de  por basado en una caída de presión de de tubo equivalente. Para pies de longitud equivalente, la perdida de fricción en el tubo es:

 



⁄ 

 

 ,



 , encontramos la densidad del líquido que es:            )  (             )(  )      (       )    (       La presión en el condensador es        , y la Para la

diferencia de presiones a través de la válvula ha sido calculada y es:

      Por lo tanto:

          Esta es la longitud equivalente de la tubería del liquido incluyendo dispositivos y accesorios.

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11.4.  Accesorios:

Presostato de baja: El presostato de baja es el responsable de parar el compresor antes de que éste llegue hacer el vacío en la instalación. 

Presostato de alta: El presostato de alta es un elemento de seguridad que tiene la función de parar la instalación cuando la presión de ésta es excesiva. 

Presostato de condensación: Este presostato se emplea para mantener una presión de alta constante durante todo el año mediante los ventiladores. 

Separador de partículas: El separador de partículas se encuentra al final del evaporador en instalaciones de baja temperatura y que están alimentados por tubo capilar. 

Separador de aceite: El separador de aceite se emplea para recuperar la mayor cantidad de aceite posible para llevarlo al compresor que es donde es realmente útil. 

Válvula solenoide: Detiene la circulación del refrigerante cuando el compresor se para, con el objeto de evitar la excesiva inundación de los serpentines del evaporador, que puede ocasionar un retorno del refrigerante líquido al compresor en el arranque. La válvula de solenoide está conectada eléctricamente al circuito de control de arranque del motor del compresor, de modo que la válvula sea excitada para permanecer abierta cuando el compresor se encuentra en operación normal. 

Filtro deshidratador: La cantidad de humedad que puede haber en la instalación depende del tipo de refrigerante y de la temperatura de evaporación. La cantidad máxima de humedad que son capaces de absorber los refrigerantes viene dada en "partes por millón" (ppm). Para detectar la humedad se coloca un detector de humedad, el cual lleva un visor formado por sal de cobalto que es una substancia que tiene la particularidad que cambia de color al absorber humedad. A parte el visor nos permite ver la carga de refrigerante de la instalación. 

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Válvula de expansión termostática Se utiliza una válvula de expansión termostática para poder regular el paso del refrigerante y poder balancear el flujo de este de acuerdo a las condiciones de operación el compresor y el evaporador. 

Filtro de líquido. Elimina materias extrañas introducidas en el sistema de refrigeración antes de que el líquido ingrese en la válvula de solenoide o de expansión. 

Filtro de la línea de aspiración: Protege las partes móviles del compresor de suciedad, incrustaciones, limaduras, etc., que pueden haberse introducido en el sistema durante las operaciones de montaje o reparación.

Válvula de seguridad. Del tipo resorte, va instalado en la línea de descarga del compresor y la válvula de paso, para proteger el lado de alta del sistema contra presiones excesivas. La descarga de la válvula de seguridad se comunica con la línea de succión del compresor y en el caso de que la presión de descarga adquiera un valor excesivo, la válvula de seguridad se abre y deriva la descarga del gas del lado de baja. 

Manómetros y termómetros. También es usual la implementación de termómetros y manómetro entre al válvula de paso de la línea de succión y el compresor, es de gran utilidad para poder monitorear las condiciones de succión en que se encuentra trabajando el compresor. Además a veces se utiliza un presostato cuyo objetivo es proteger al compresor. 

XII.

CONCLUSIONES: 





Se cumplió con el objetivo tratado, de diseñar una cámara de refrigeración para mantener, preservar y conservar leche fresca antes de ser trasladado hacia la planta. Se adquirió un conocimiento mas profundo sobre los principios de diseño de cámaras de refrigeración mediante la búsqueda de información necesaria para este proyecto. La carga térmica de refrigeración de la camara es de , usando como refrigerante y contando con las siguientes características:

   

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

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               

Notamos que las presiones obtenidas son superiores a la presión atmosférica, esto para evitar que el aire entre en el sistema en caso de fugas. Por lo tanto cumple el criterio esencial para la selección del refrigerante, el cual nos dice que las presiones de ebullición y condensación deben ser preferentemente superiores a la atmosférica. 

XIII.

BIBLIOGRAFIA: 



 

XIV.

Es posible mantener refrigerado un producto alimenticio en buen estado (en este caso carne de pollo) siempre y cuando se tomen en cuenta parámetros de diseño y funcionamiento adecuados para la cámara de refrigeración así como también las características del producto a refrigerar.

W.F. Stoecker  –  “Refrigeración y Acondicionamiento de Aire·” 1era Ed. Mc Graw Hill Book, México 1978. Tabla A-4, y plano P-h del R-22 era DOSSAT, Roy J. “Principios de Refrigeración” .Editorial Continental. 3 Edición, 15ava Reimpresión. México.1980. Págs. 187-225 y 559-584. Catalogo Intercal. Tablas de la compañía DANFOSS WLaneurop.

 ANEXOS:

Tablas, catalogos, pdfs; están en la carpeta de archivos

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