Consideraciones para el diseño o rediseño de cámaras frigoríficas (página 2)

Enviado por Luis Manuel Garc�a Rojas

Partes: 1, 2

Ciclo de refrigeración

Con la ayuda del diagrama
presión
? entalpia de un fluido, es posible definir un ciclo de
refrigeración, donde en determinado momento el
refrigerante se encuentra en estado de
vapor sobrecalentado a baja presión cuando proviene del
evaporador despúes este es comprimido donde el trabajo es
adicionado al sistema
resultando en un aumento de presión en la descarga,
continuando en estado de vapor sobrecalentado ahora con alta
presión y alta temperatura
para después ocurrir la condensación aquí el
calor es
retirado del sistema y el refrigerante está en estado de
líquido subenfriado. En el condensador el intecambio de
calor es hecho en tres etapas. En la primera etapa el calor
sensíble es retirado isobaricamente, pasando el fluido de
vapor de sobrecalentado a vapor saturado, a continuación
el fluido pasa por un processo de cambio de fase
de forma isobárica-isotérmica para finalmente
ocurrir un processo de subresfriamento a alta presión en
estado de líquido subresfriado.

El fluido debe perder presión y temperatura para
retornar al sistema de baja presión para eso el
refrigerante pasa por un dispositivo de expansión donde el
fluido se encuentra en una mezcla líquido más
vapor. Faltando, para completar el ciclo, el proceso de
evaporación. El fluido irá absorviendo calor,
cambiando de fase, Antes de reiniciar el ciclo, el refrigerante
es sobrecalentado, evitando la presencia de líquido en el
el compressor.

Para el cálculo
del calor involuclado en determinado proceso se puede emplear la
siguiente equación:

q  m. (h f-h i)

Donde:

q = calor, em W

.m= Flujo másico, en kg/s

hf = entalpia de el punto final, en
J/kg

hi = entalpia de el punto inicial, en
J/kg

EVAPORADORES

El evaporador o serpentín de enfriamiento es la
parte del sistema de refrigeración donde se retira el
calor del producto:
aire, agua o algo
que deba enfriarse, y se define como un intercambiador de
calor.

Cuando el refrigerante entra a los tubos, que conforman
el evaporador, absorbe calor de los productos que
van a ser enfriados, y, cuando absorbe calor de la carga empieza
a "hervir" y se vaporiza. En este proceso el evaporador ejecuta
la función
de puente térmico entre el medio a enfriar y el
refrigerante, desarrollando el propósito total del
sistema, la refrigeración.

Se desarrollan y producen evaporadores de diseños
y formas diferentes para satisfacer las más variadas
necesidades de los usuarios. Los tres principales tipos de
evaporadores son de tubo descubierto, de superficie de placa y
aleteados. Los evaporadores de tubo descubierto y superficie de
placa algunas veces se les califica como evaporadores de
superficie primaria debido a que para ambos tipos la superficie
completa queda más o menos en contacto con el refrigerante
vaporizado en su interior. Con el evaporador aleteado, los tubos
que conducen el refrigerante constituyen la superficie principal,
las aletas en si no tienen refrigerante en su interior y por lo
mismo, son superficies secundarias en la transferencia del calor
cuya función es recoger calor del aire de los alrededores
y conducirlo hacia los tubos que llevan el
refrigerante.

COMPRESORES

Después de que ha perdido calor y se vaporiza en
el serpentín de enfriamiento, el refrigerante pasa a
través de la línea de succión al siguiente
componente mayor en el circuito de refrigeración, el
compresor. Esta unidad que tiene dos funciones
principales dentro del ciclo, se clasifica frecuentemente como el
corazón
del sistema, porque hace circular el refrigerante a través
del sistema. Las funciones que realiza son: Recibir o remover el
vapor refrigerante desde el evaporador, de tal manera que la
presión y la temperatura deseada de evaporación se
mantengan. Incrementar la presión del vapor refrigerante a
través del proceso de compresión y
simultáneamente incrementar la temperatura del
refrigerante de tal manera que pueda ceder calor al medio
condensante del condensador.

Los compresores son
usualmente clasificados en tres tipos principales: alternativos,
rotatorios y centrífugos. El compresor alternativo se
utiliza en la mayoría de las aplicaciones
domésticas, comerciales pequeñas y unidades
industriales de condensación. Este tipo de compresor puede
posteriormente clasificarse de acuerdo a su construcción, de acuerdo a si es abierto o
accesible para el trabajo o
completamente sellado, de tal manera que no sea posible darle
servicio.

Los compresores alternativos varían en
tamaño, desde los que tienen un solo cilindro y su
correspondiente pistón hasta uno lo suficientemente grande
para tener 16 cilindros y pistones. El cuerpo del compresor puede
construirse de una o dos partes de hierro
fundido, acero fundido o
en algún caso de aleaciones de
aluminio. La
disposición de los cilindros puede ser horizontal, radial
o vertical y ellos pueden estar en líneas rectas o
arregladas en V o W.

Los compresores rotativos son clasificados así a
causa de que ellos operan a través de la aplicación
de una rotación, o movimiento
circular, en vez de la operación alternativa descrita
anteriormente. Un compresor rotativo es una unidad de
desplazamiento positivo, y comúnmente puede usarse para
bombear a mayor vacío que el compresor
alternativo.

Existen tres tipos de compresores rotativos;
pistón rodante, aleta rotatoria y lóbulo
helicoidal. De estos describiremos sólo los más
utilizados actualmente en los mercados de
aire
acondicionado y refrigeración.

Los compresores rotatorios del tipo paleta emplean una
serie de paletas o alabes las cuales están equidistantes a
través de la periferia de un rotor ranurado.

Compresor centrifugo

El compresor centrífugo consiste esencialmente de
uno o una serie de ruedas impulsoras montadas en un eje de acero,
contenidas dentro de una carcasa de hierra vaciado. El
número de ruedas impulsoras depende bastante de la
magnitud de la carga termodinámica que el compresor deba
desarrollar durante el proceso de compresión. Es
común tener de dos, tres y cuatro ruedas (pasos de
compresión). El máximo de ruedas impulsoras suelen
ser 12.

CONDENSADORES.

El componente mayor en el sistema de
refrigeración, que sigue a la etapa de compresión,
es el condensador. Básicamente, el condensador es otra
unidad de intercambio de calor en el cual el calor
extraído por el refrigerante en el evaporador, y
también el añadido al vapor en la fase de
compresión, se disipa a un medio condensante.

El vapor a alta presión y temperatura que sale
del compresor está sobrecalentado y este
sobrecalentamiento se retira en la línea de descarga y la
primera porción del condensador. Como la temperatura del
refrigerante es bajada a su punto de saturación, el vapor
se condensa en líquido para continuar el ciclo.

Los condensadores
pueden ser enfriados por aire, agua o por evaporación. Los
refrigeradores domésticos generalmente tienen un
condensador enfriado por aire, el cual depende del flujo de
gravedad del aire que circula a través de él. Otras
unidades enfriadas por aire usan ventiladores para secar o
extraer grandes.

DISPOSITIVOS DE
EXPANSIÓN

Un componente fundamental e indispensable de cualquier
sistema de refrigeración es el control de flujo
o dispositivo de expansión. Sus principales
propósitos son:

Permitir el flujo de refrigerante al evaporador a la
razón necesaria para remover el calor de la carga.
Mantener el diferencial de presión apropiado entre los
lados de alta y baja en el sistema de
refrigeración.

Los cinco tipos principales de dispositivos de
expansión son:

Válvula de expansión
automática.

Válvula de expansión
termostática.

Tubo capilar.

Flotador de baja.

Flotador de alta.

Existe también un dispositivo de expansión
manual, que
obviamente, no es apropiada para el funcionamiento
automático de sistemas de
refrigeración de baja capacidad, pero si son muy
utilizadas en la refrigeración industrial.

Acciones encaminadas para el diseño
o rediseño de cámaras de
refrigeración

Para el cálculo de la carga térmica en una
cámara, se debe conocer: La ubicación
geográfica, la temperatura de bulbo seco exterior en
verano, temperatura de bulbo humedo y la velocidad del
airem/s, dimensiones de la cámara, materiales de
construcción, dimensiones y materiales de
construcción de las puertas, propiedades del producto a
guardar.

Carga Térmica

Para mantener fría una cámara y todo lo
que este contenida en ella, es necesario extraer el calor inicial
y después el que pueda ir entrando en la cámara por
bien aislada que este.

Según la American Society of Heating,
Refrigeration and Air Conditioning Engineers (ASHRAE), para el
cálculo de la carga térmica para cámaras de
alamacenamiento de alimentos son
considerados los seguientes factores: transmisión de calor
por la superfícies, calor que el alimento debe perder para
alacanzar lr a temperatura deseada, calor interno referente a
pesonas, lamparas y equipamientos, infiltraciones de aire, calor
de los moto-ventiladores y tiempo
previsto de funcionamento, además del coeficiente de
seguridad.

El requerimiento total de refrigeración, Q total,
puede establecerse como:

Q total = Q producto + Q otras fuentes

En la anterior expresión, los términos del
segundo miembro tienen el siguiente significado:

Q producto = representa los sumandos necesarios que
tiene en consideración en la carga térmica a
eliminar procedente del calor sensible, del calor latente de
solidificación, de las reacciones
químicas del embalaje y del calor absorbido para la
congelación del agua de los alimentos o productos que se
desea refrigerar.

Q otras fuentes =
Incluye entre otros los flujos de calor a través de los
cerramientos de la cámara por transmisión de
paredes, suelo y techo, la
refrigeración para el aire exterior que se introduce, la
ventilación, las cargas térmicas debidas a
ventiladores, bombas, iluminación eléctrica, personas que
manipulan los productos, etc.

Como el calor generado en las 24 horas de un día
se ha de extraer en un número de horas menor, en las horas
de funcionamiento diario, la potencia
frigorífica de la maquinaria NR habrá de ser
superior a la potencia Q total calculada para extraer en las 24
horas. Su valor
será:

NR= Q total/ t

La ganancia de Calor a través de paredes, pisos y
techos, variará según las siguientes
características:

A.- Tipo de Construcción.

B.- Área expuesta a diferentes
temperaturas

C.- Tipo y espesor del aislante

D.-Diferencia de Temperatura entre el espacio
refrigerado y la temperatura ambiental.

El calor sensible a través de las paredes, piso y
techo es calculado a regimen permanente como:

q1 U
AT

Donde:

q1 = calor que atraviesa las superfícies, en
W

U = coeficiente global de transferencia de calor, en
W/m2K

A = superfície de intercambio de calor, en
m2

T = diferencia entre la
temperatura externa y la temperatura interna de el aire, en
ºC.

Para el enfriamiento de los produtos de la temperatura
inicial a la temperatura deseada

de almacenamiento.
El calor a ser retirado puede ser calculado de la seguiente
manera:

q2  m( h f h i
)

Donde

q2 = calor a ser retirado do produto, em W

m= Flujo másico del producto, em
kg/s

hf = Entalpia de el produto a su temperatura final, en
kJ/kg;

hi = Entalpia de el produto a su temperatura inicial, en
kJ/kg.

Internamente, el calor generado por el equipamiento y
pesonas debe ser considerado.

Geralmente los equipamientos utilizados en el interior
de una cámara son motores, lamparas
y otros equipos eléctricos.

El calor generado por una persona
trabajando em uma cámara puede ser aproximado
por:

qp 272 -6.T

Donde qp = calor generado por una persona, en unm
período de 24 horas, en W;

T = temperatura interna, en ºC.

Debido a la diferencia entre la densidad de el
aire interno y de el aire externo, existe una cantidad de calor
debido a infiltraciones por aberturas en puertas y ventanas.
Según ASHRAE, la velocidad del aire por una puerta varia
de 0,3 hasta 1,5 m/s, dependiendo de las dimensiones de la puerta
y de la diferencia entre la presión atmosférica y
la presión interna.

q4 r.A/2. u ar
 h ar

Donde q4 = calor por infiltraciones de aire, en
W

 r= Densidad de el aire
refrigerado, en kg/m3

A = área de la abertura, em
m2

u ar = velocidad média de el aire, en
m/s

 h ar = diferencia de entalpia
entre el aire interno y el aire externo, en kJ/kg.

Existe aun el calor debido a la operación del
equipamiento de refrigeración, consistiendo en motores
elétricos, usados en la circulación del aire
forzado, y el calor usado en el deshielo de los serpentines del
evaporador.

Tiempo de
congelación.

El algoritmo
usado para estimar el tiempo de congelación de alimentos
es basado en la Equación de Plank modificada por Cleland e
Eaerle (1977, 1979a, 1979b). Este algoritmo es aplicable para
geometrias simples. Primeramente las propriedades de los
alimentos, el coeficiente de transferencia de calor y las
dimensiones características deben ser definidas. Tres
dimensiones deben ser calculadas: D, 1,
2 . D es el dobre de la distancia entre el centro
térmico de el alimento hasta la superfície,
1es definido como la segunda menor
dimensión dividido por la menor dimensión y
2 es la mayor dimensión dividido por la
menor dimensión.

A continuación deben ser calculados los
números de Biot, Plank y Stefan, a través de las
ecuaciones:

Bi  D h/ k

Pk= C l .(T i -T fi) /
H

Ste= Cs T f -T m)/
H

Donde:

Bi = número de Biot

h = coeficiente de converción, en
W/m2K

D = dimensión característica, en
m

k = condutividade térmica, em W/mK

Pk = número de Plank

Cl = calor específico volumétrico de la
fase no congelada, en kJ/K.m3

Ti = temperatura inicial, en ºC

Tf = temperatura de congelación, en
ºC

H = variación de la
entalpia volumétrica entre Tf y la temperatura final, en
kJ/m3

Ste = número de Stefan

Cs = calor específico volumétrico da fase
congelada, en kJ/K.m3

Tm = temperatura del medio, en ºC.

Después de estos fatores geométricos devem
ser calculados los fatores geométricos P e R, de acuerdo
con la tabla 5, capítulo 9 del 2002 ASHRAE Handbook ?
Refrigeration.

Con todos estos pasos realizados, finalmente puede ser
calculado el tiempo de congelación, conforme a la
equación.

Donde Tc = a temperatura final, en ºC

ks = condutividad térmica de los alimentos, em
W/m.K.

Sustancias refrigerantes:

Antes de la seleción de los equipamentos para el
diseño o rediseño de una instalación es
necesario determianare el refrigerante, sistema de funcionamento,
tipo de condensación y regimen de
operación.

Como refrigerante se entiende todo aquel fluido que se
utiliza para transmitir el calor en un sistema frigorífico
y que absorbe calor a bajas temperaturas y presión, y lo
cede a temperaturas y presión mas elevada, generalmente
con cambios de estado del fluido.

Los refrigerantes se identifican por su fórmula
química o
por una denominación simbólica numérica; no
es suficiente identificarlos por su nombre comercial.

En 1956, la compañía DU PONT ideo y
registró un método
para clasificar numéricamente los refrigerantes, con el se
eliminaba el uso de complicados nombres químicos. La
asociación americana de ingenieros en refrigeración
calefacción, ventilación y aire acondicionado
(ASHRAE) adopto este sistema en 1960. El numero del refrigerante
esta relacionado con el numero de átomos de fluor, de
hidrogeno, de
carbono y el
numero de enlaces
químicos dobles.

Los refrigerantes del tipo clorofluorcarbono (CFC) estan
siendo eliminados del mercado, debido a
su alto potencial de destrución de la capa de ozono,
los hidroclorofluorcarbono (HCFC) tiene um menor potencial de
destrucción de la capa ção da capa de ozono
(ODP), baja vida atmosférica y también un bajo
potencial de calentamiento global, su uso esta restringido hasta
el 1 de Enero del 2030. Estudios recientes (Wuebbles y Calm 1997;
Calm et al. 1999) sugieren que la substitución de
refrigerantes con estas características pudiera agravar el
problema del calentamiento
global, pero el efecto sería despreciable en la capa
de ozono. Además de los citados, existen otros
refrigerantes que no contienen cloro, con ODP nulo, disponibles
en el mercado, pero pueden presentar algunas desvantajas tales
como: baja

disponibilidad de equipamientos en el mercado, mayor
costo, mayor
exigencia técnica de mantenimiento
y alto potencial de calentamiento global.

Para que el regimen de operación sea definido es
necesario el
conocimiento del sistema de

Condensación y de evaporación.

Conclusiones.

Para el correcto diseño o rediseño de
instalaciones de refrigeración es necesario el conocimiento
de los principios
básicos de mecánica de los fluidos,
termodinámica y transferencia de calor.
Para la correcta selección de una sustancia refrigerante
es necesario tener en cuenta una valoración
económica, de eficiencia
energética y mediomabiental.
Se deben proyectar todas las acciones
posibles para disminuir la carga térmica que debe ser
capaz de ser eliminada por el sistema de
refrigeración.
No solo basta una correcta selección de la
instalación sino se tiene en cuenta el regimen de
operación de la misma así como el
mantenimiento.