INSTITUTO TECNOLOGICO DE MORELIA

“José maría Morelos y pavón”

REFRIGERACIÓN Y AIRE ACONDICIONADO

PROYECTO:

Diseño de una cámara de refrigeración para jitomate

Ing. Mecánica

Especialidad en diseño.

Profesor: Miguel Valdovinos Lombera

Alumno: Juan Carlos Medina Bermúdez

No. De control: 10120784

Morelia Michoacán a 5 de junio del 2014

NOMBRE DEL PROYECTO: Diseño de una cámara de refrigeración para jitomate

OBJETIVOS:

Diseñar una cámara de refrigeración para jitomate (rojo) que se ubicara en la localidad de Congotzio municipio de Copandaro de Galeana Michoacán, siempre considerando el aspecto ecológico.

Aplicar gran parte de los conocimientos obtenidos en la clase de sistemas de refrigeración y aire acondicionado.

Con el diseño se pretende retardar el crecimiento de microorganismos patógenos, los que reducen considerablemente la vida útil del producto.

DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA

Una cámara de refrigeración para el almacenamiento de jitomate tiene las siguientes dimensiones 17m x 15m x 3.5m. Se diseñara para operar a una temperatura de aire de 8°C con una humedad relativa de 90%. La temperatura promedio al exterior es de 26°C con una humedad relativa de 70%, una temperatura debajo del suelo de 15°C y la temperatura interna del jitomate a la cual entra a la cámara es de 19°C. La cámara se encuentra expuesta directamente a los rayos del sol. La velocidad del viento en Congotzio Michoacán es de 5km/h.

La cámara debe de ser diseñada para contener 20 tarimas sobre las cuales estarán estivadas 32 cajas de plástico que contendrán 15 kg de jitomate cada una.

En las horas de trabajo la puerta (2.5m de ancho x 3m de alto) de la cámara permanece abierta 4 horas, durante las cuales se encuentran 3 obreros realizando un trabajo bastante penoso.

Fig. 1a Fig. 1b

En la fig. 1a se pueden apreciar las dimensiones de la cámara y en la fig. 1b se aprecia el arreglo de las tarimas dentro de la cámara.

Fig.2 estivado de las cajas de jitomate sobre las tarimas

Las características de la caja de plástico tipo H son las siguientes:

Exterior: 495 x 370 x 275

Interior: 465 x 340 x 260

Peso: 1,15 kg. (± 4%)

Volumen de carga aproximado: 41 ltrs

Carga máxima de apilamiento recomendada: 126 kg.

Fig. 3 [2]

Las características de las tarimas

Material: madera

Color: natural

Medidas: 1.00 x 1.20m (medida estándar)

Carga dinámica: 1000kg

Carga estática: 1500 kg

Fig. 4 [3]

JUSTIFICACIÓN

La agricultura es una de las actividades más importantes en México y en muchos países, sin embargo a pesar de ser una actividad importante y de extremo desgaste físico, el agricultor casi nunca es recontribuido de una forma satisfactoria debido a la gran inestabilidad de la demanda y los precios de los productos, e incluso en situaciones extremas el producto es desperdiciado (tirado) por un bajo precio o poca demanda.

Por esta situación se propone el presente diseño de la cámara de refrigeración para el jitomate con la finalidad de poderlo almacenar y alargar su periodo de vida, e incluso se podría almacenar durante un periodo de abundancia del producto (bajo costo) y esperar que se mejore la situación.

Fig. 5 [1]

INTRODUCCION

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 alimentos en cámaras de refrigeración, indicando cuáles son las posibles ganancias o pérdidas de calor (cargas térmicas) que se producen en las mismas.

El descenso de la temperatura en los alimentos hace que disminuya la velocidad de las reacciones que producen su deterioro. En un principio se lograban estas bajas temperaturas mediante el uso del hielo. Los chinos fueron los primeros en recolectar y almacenar hielo, empacándolo en paja o hierba seca, para utilizarla en verano. El hielo natural y la nieve fueron los únicos medios de refrigeración durante muchos años. Los antiguos egipcios descubrieron que la vaporización podía causar enfriamiento, así aprendieron a colocar su vino y otros líquidos dentro de recipientes de barro colocándolos en los techos durante las noches, de tal manera que las brisas frías causaban evaporación y enfriaban el contenido. Posteriormente se desarrollaron métodos para preservar comida y bebidas con hielo y nieve guardándolos en edificios de almacenamiento en los cuales podían guardar el hielo recolectado durante el invierno. A finales del siglo XIX el hielo fue un importante producto de comercio con países que no producían hielo natural. En la década de 1900 se desarrolló la refrigeración industrial mediante el uso de compresores mecánicos. Finalmente y con el crecimiento de la industria eléctrica, los refrigeradores domésticos se desarrollaron sustituyendo las cajas de hielo, que requerían un bloque de hielo diariamente.

En este tema sólo nos referiremos brevemente a los distintos sistemas de producción de frío, centrando nuestra atención en la conservación y congelación de alimentos y productos hortofrutícolas. Para ello será necesario conocer las propiedades que influyen en el proceso (temperaturas de conservación, humedad relativa, calor específico, transpiración, etc.), que encontraremos en las correspondientes tablas.

INDICE

Cargas a través de barreras……………………………………………………………1 Cargas del producto…………………………………………..……………………….4 Carga por infiltración de aire..………………………………..……………………….4 Carga debido a personas……….……………………………..……………………….4 Cargas del producto…………………………………………..……………………….4 Cargas debido a misceláneos…………………………………..…………………..….5 Cargas debido a empaquetadura….…………………………..……………………….5 Carga debido al calor de respiración…………………………..…………………..….5 tabla de sumatoria de cargas……………………………...…..……………………….5 selección del evaporador…..……………………………...…..……………………….6 selección del condensador………………………………...…..……………………….6 unidad compresora………………………………………...…..……………………….6

Selección de la válvula de expansión termostática…………………………………….6

Bibliografía…………………………………………………………………………….7

SOLUCION

Cargas a través de barreras

Para la pared norte

Q1n=A (T e−T i)

R

he=6.83+0.85 v=6.63+0.85(5 kmh )=10.88

W

m2∗K

R= 1he

+x1

k1

+x2

k2

+…+xn

kn

+ 1h i

R= 1

10.88W

m2∗K

+ 0.002 m

0.72W

m∗K

+ 0.12 m

0.72W

m∗K

+ 0.0256 m

0.027W

m∗K

+ 0.002m

0.72W

m∗K

+ 1

6.83W

m2∗K

¿1.3586W

m2∗K

Q1n=(70 m2)(26−8) K

1.3586W

m2∗K

=0.92742 kW

Para la pared sur

Q1 s=A(Te−T i+λ)

R

he=6.83+0.85 v=6.63+0.85(5 kmh )=10.88

W

m2∗K

R= 1he

+x1

k1

+x2

k2

+…+xn

kn

+ 1h i

R= 1

10.88W

m2∗K

+ 0.002 m

0.72W

m∗K

+ 0.12 m

0.72W

m∗K

+ 0.0256 m

0.027W

m∗K

+ 0.002m

0.72W

m∗K

+ 1

6.83W

m2∗K

¿1.3586W

m2∗K

1

Q1 s=(70 m2)(26−8+2.2)K

1.3586W

m2∗K

=1.040 kW

Para la pared este

Q1e=A (T e−T i+λ)

R

he=6.83+0.85 v=6.63+0.85(5 kmh )=10.88

W

m2∗K

R= 1he

+x1

k1

+x2

k2

+…+xn

kn

+ 1h i

R= 1

10.88W

m2∗K

+ 0.002 m

0.72W

m∗K

+ 0.12 m

0.72W

m∗K

+ 0.0256 m

0.027W

m∗K

+ 0.002m

0.72W

m∗K

+ 1

6.83W

m2∗K

¿1.3586W

m2∗K

Q1e=(59.5m2)(26−8+3.3) K

1.3586W

m2∗K

=0.9328 kW

Para la pared oeste

Q1o=A(T e−T i+ λ)

R

he=6.83+0.85 v=6.63+0.85(5 kmh )=10.88

W

m2∗K

R= 1he

+x1

k1

+x2

k2

+…+xn

kn

+ 1h i

R= 1

10.88W

m2∗K

+ 0.002 m

0.72W

m∗K

+ 0.12 m

0.72W

m∗K

+ 0.0256 m

0.027W

m∗K

+ 0.002m

0.72W

m∗K

+ 1

6.83W

m2∗K

2

¿1.3586W

m2∗K

Q1o=(59.5 m2)(26−8+3.3)K

1.3586W

m2∗K

=0.9328 kW

Para la carga del suelo

Q1 suelo=A (T e−T i)

R

he=6.83W

m2∗K

R= 1he

+x1

k1

+x2

k2

+…+xn

kn

+ 1h i

R= 1

6.83W

m2∗K

+ 0.002 m

0.72W

m∗K

+ 0.0256 m

0.027W

m∗K

+ 0.01 m

1W

m∗K

+ 1

6.83W

m2∗K

=1.2537W

m2∗K

Q1 suelo=(340 m2)(15−8)K

1.3586W

m2∗K

=1.7518 kW

Carga para el techo

Q1 techo=A (T e−T i+ λ)

R

he=6.83W

m2∗K

R= 1he

+x1

k1

+x2

k2

+…+xn

kn

+ 1h i

3

R= 1

6.83W

m2∗K

+ 0.002 m

0.72W

m∗K

+ 0.0256 m

0.027W

m∗K

+ 0.01 m

1W

m∗K

+ 0.002m

0.72W

m∗K

+ 1

6.83W

m2∗K

¿1.2564W

m2∗K

Q1 techo=(340 m2)(26−8+8.2)K

1.2537W

m2∗K

=7.089 kW

Q1 total=0.92742 kW +1.040 kW+0.9328 kW +0.9328 kW +1.7518kW +7.089 kW =12.674 kW

carga del producto

Dado que el jitomate ingresa a la cámara a la temperatura 19 ºC y se enfriara a una temperatura de 8°C y se estarán refrigerando 10 Ton

Q2=mCp(T 2−Ti) = (10000kg)(3.99kJ/kg*k)(19-8)(1/3600s)(1/24h)(24h)=121.916667 kW

carga por infiltración de aire

Q3=Ap2

v ρ s(he−hs) F

Se determina hs (del aire interno) utilizando la carta psicométrica del aire a 8°C y 90 humedad relativa tieneW=6gr de agua/kg de aire secoDe tablas se obtiene hs T=8°C y W= W=6gr de agua/kg de aire seco

hs≈ 115kJ

kg aire seco

Se determina he (Aire Externo): Utilizando la Carta Psicométrica, con temperatura externa del aire a 24 ºC

y con un 70% de humedad relativa se obtiene W = 0,0132 kg/kg aire seco. De Tablas para T = 24 °C y W = 0,0132 kg agua/kg aire seco, se obtiene:

he ≈ 158 kJkg

Se determina el área de la puerta Ap = (3m) (2.5m)=7.5m2

Para determinar F se sabe que la puerta permanece abierta 16% de todo el díaF=0.16 (4/24)= 0.07333

Suponiendo una densidad del aire externo de ρ s = 1,18 kg/m3

4

Y calculando una velocidad a través de la puesta cuando esta se encuentra abiertav=2.296m2/s

Y finalmente tenemos que:

Q3=11.593 kW

carga debido a personas

Q4=(numero de personas ) ( calor generado por las personas )Q4=(3 ) (252 kCal /h )= (756kCal /h¿(4 /24)=(126kCal /h)=0.146kW

Carga debido a misceláneos

Q5= (calor sencible ) ( potenciadel motor )

En esta cámara únicamente se tendrán luces de 800W durante 10 horas de las 24 correspondientes al ciclo de operación

Q5= (800W )( 1124 )=367 W =0.367kW

Carga debido a la empaquetadura (cajas de plástico tipo H)

Q6=mCp(T ¿¿e−T i)¿= (723.2kg)(1.1723kJ/kg*K)(24-8)K=(13.564kJ)(1/3600s)(1/24h)(24h)=3.768kW

Carga debida al calor de respiración

Q7¿¿=(mxR )=(10000 kg )( 0.075 kcalh

kg )=( 750 kCalh

)(1/3600 s)(1/24 h)(24 h)=0.872 kW

Tabla de sumatoria de todas las cargas

TIPO DE CARGA VALORCarga por las paredes 12.67kW

carga del producto 121.916667 kW

5

carga por infiltración de aire 11.593kW

carga debido a personas 0.146.kW kW

Carga debido a misceláneos 0.367kW

Carga debido a la empaquetadura (cajas de plástico tipo H)

3.768kW

Carga debida al calor de respiración 0.872

CARGA TOTAL 151.33kW

Se utiliza un factor de corrección de 10% por lo que se obtendría una carga total de

166.46kW=(143129.8kCal/h)/24=5963.74kCal/h

Selección del evaporadorPara la selección del evaporador tenemos que la carga total de (143 129.8kCal/h)/24 (esta

operación se realiza por la razón de que al calcular las pérdidas de carga se calcularon por día) Con este dato buscamos en catálogos de diferentes proveedores un evaporador que tenga esta capacidad; es importante mencionar que se buscara el que nos sea más conveniente, en este caso nos enfocamos en evaporadores BOHN y se selecciona el modelo BMA245 de deshielo por aire a 60HZ que tiene una capacidad de 6174kcal/h, una capacidad de caudal de 130.3 m3/min, dimensiones de L=171cm, H=64cm y A=55cm, las conexiones de líquido 7/8DE pulgadas, succión de 11/8DE pulgadas y con un peso aproximado de 61kg.

Selección del condensadorPara la selección del condensador es necesario el tener varios catálogos de diferentes

empresas y diferentes capacidades para poder seleccionar el que mejor se apegue a nuestros requerimientos; en este caso en particular se seleccionara un condensador de la empresa BOHN y tomando en cuenta que vamos a estar trabajando con un refrigerante 404a se selecciona una unidad condensadora BRH 023, con una sola hilera de ventiladores, motores 1140rpm, 12 aletas por pulgada

unidad compresora

6

Para obtener las características de la unidad compresora tenemos recurrir a tablas en donde con la temperatura ambiente de evaporación y la carga total podemos obtener el modelo que en este caso es un modelo BR10300H2 y un compresor ERF-0310 donde se puede apreciar que puede trabajar con los refrigerantes HCFC-22, HFC-404ª Y HFC-507; en este sentido se seleccionará el refrigerante HFC-404a por que tiene buenas características y además de que no provoca daños al medio ambiente.

Selección de la válvula de expansión termostáticaPor último se seleccionara la válvula de expansión termostática, para esto se vuelve a tomar la carga del evaporador que como sabemos es de 7.18KW, con este dato encontramos en un catálogo de la marca Danfoss que el modelo que nos sirve es el TE5-0.5 con una carga de 8.1KW:

Bibliografía

[1] http://www.inforural.com.mx/spip.php?article85173

[2] http://www.daplast.com/productos/cajas-de-plastico/H-1

[3] http://www.innovapack.mx/tarima_madera.html

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