Rediseño y puesta a punto de un enfriador de agua.

Materiales y métodos

En este apartado se presentará una guía para el cálculo de los parámetros fundamentales para la selección del moto-compresor con el objetivo de construir un sistema de refrigeración, que permita enfriar el agua que se empleará en el equipo de transferencia que se diseñó para las prácticas de laboratorio de la asignatura de Transferencia de Calor.

• Descripción de la instalación de laboratorios.

Para el enfriamiento del agua se empleará un sistema de refrigeración que fungía como bebedero y en este momento se encuentra fuera de servicio, por estar su moto-compresor averiado. Una vez enfriada el agua se utilizará en un intercambiador de tubo y coraza, donde se realizarán prácticas de laboratorios de transferencias de calor que se han visto interrumpidas, por la ausencia de una sustancia que se debe encontrar a diferentes temperatura que la que posee el agua que llega por la tubería desde el tanque elevado de la universidad al local de energía de la UPR.

• Intercambiador de tubo y coraza del laboratorio de energía.

El intercambiador de tubo y coraza existente consiste en un tubo en posición horizontal de 1,10 m con un diámetro exterior de 50 mm , rodeado por otro tubo de 92 mm de diámetro denominado coraza o casco. El fluido que ha de circular en el interior de los tubos ingresa y circula por el tubo. El fluido de la coraza, en cambio, circula por el exterior del tubo, siguiendo una trayectoria tortuosa por el efecto de las pantallas (bafles) o tabiques deflectores. Además de las líneas de tuberías formando un ciclo semi-cerrado. También posee cuatro válvulas operadas manualmente para garantizar que la trayectoria de ambos fluidos pueda variar o sea que se muevan paralelos o contracorrientes (ver anexo 5).

• Enfriador de agua.

Este equipo en sentido general está compuesto por un recipiente (evaporador) donde se almacena el agua que proviene de la calle y es enfriada a partir del intercambio térmico con una sustancia refrigerante, posee además un condensador donde se cede el calor absorbido en el evaporador y el recalentamiento de la sustancia refrigerante durante a compresión de la misma en el compresor, este último considerado el corazón de este equipo pues consume la energía principal del ciclo para su funcionamiento, requiere de la más compleja tecnología en su fabricación, se encuentra sometido a las mayores sobrecargas con gran desgaste y en este momento está fuera de servicio. Como el sistema de refrigeración trabaja entre dos niveles de presión una vez que la sustancia llega al condensador donde se alcanzan las presiones más altas, se requiere de un elemento donde se pueda expansionar y alcanzar las bajas presiones que propicien temperaturas bajas y para ello la instalación emplea un capilar.

A continuación se enumeran algunas características técnicas de la instalación:

• Área de transferencia de calor del evaporador:

• Diámetro exterior de los tubos del evaporador:

• Diámetro interior de los tubos del evaporador:

• Longitud de los tubos del evaporador:

• Área de transferencia de calor del condensador:

• Diámetro exterior de los tubos del condensador:

• Diámetro interior de los tubos del condensador:

• Longitud de los tubos del condensador:

• Longitud del capilar:

• Potencia del compresor anterior:

• Sustancia refrigerante empleada anteriormente:

• Medición de los parámetros flujo y temperatura del agua proveniente del tanque elevado de la UPR.

Para poder obtener los parámetros de flujo y temperatura del agua proveniente del tanque elevado de la UPR, primeramente se toma un probeta en la cual tenga una marcación de volumen (1000ml) y un reloj, seguidamente se abre la válvula de agua existente en el local de energía y se toma un límite en la probeta se midió el tiempo en que se demora en ocupar este volumen.

Con la siguiente formula se obtendrá el valor del flujo:

En el caso de la temperatura se tomó un termómetro de vidrio de mercurio con una escala de 0 a100 ºC y en la probeta con agua se sumerge y se hace la lectura 10 veces y tomamos el promedio de ellas. La temperatura del agua: 26 0C

2.3 Metodología de cálculo del flujo de agua fría.

En la siguiente tabla se muestran distintos valores de temperatura que se emplearán en el intercambiador de tubo en tubo.

Tabla #1: Valores de temperatura del agua empleada.

Aplicando el balance térmico en el intercambiador de tubo en tubo se obtiene la siguiente expresión:

2.4 Cálculo de carga térmica para el enfriador de agua.

El sistema de refrigeración debe asumir la carga térmica generada por el enfriamiento del agua (H2O) y las ganancias de calor a través de las paredes del tanque.

2.4.1 Metodología de cálculo para la determinación del calor durante el enfriamiento de agua.

Para determinar el calor que se le debe extraer al agua que se enfría dentro del bebedero (evaporador del sistema), dentro de un recipiente de forma cilíndrica se puede emplear la expresión siguiente:

2.4.2 Metodología de cálculo para las ganancias de calor desde el exterior.

Con el valor de temperatura del fluido entramos en la tabla A-6 del Incropera(Tomo II) para determinar las propiedades físicas del aire y los valores de C y n que se muestran en la tabla son extraídos de este mismo libro en la página 436

Tabla #2:Valores de los coeficientes.

2.5 Selección del moto-compresor.

Con la ayuda del Software RefrigerationUtilities y de acuerdo con las temperaturas de evaporación asumida de de 0 ºC (se considera 10 ºC por debajo de la temperatura del agua fría) y de condensación 40 ºC (se considera 10 ºC por encima de la temperatura del aire ambiente), como se puede observar los valores de entalpías y parámetros se muestran en la siguiente figura.

Figura #9: Comportamiento del ciclo de refrigeración en el diagrama P vs. H del R134a.

Resultado del valor de las entalpías según los puntos de la figura anterior:

Una vez conocido el valor de las entalpías se comienza el cálculo del motor eléctrico utilizado en el enfriador de agua, después de haber obtenido la potencia del compresor por el software utilizado anteriormente que se muestra a continuación:

Figura #10: Cálculo realizado en el Software Refrigeration Utilities para el refrigerante R134a.

Para la selección de la potencia del motor que mueve al compresor se parte del valor obtenido en el software de la potencia del compresor.

Para un voltaje de 110 V obtendremos la intensidad de corriente necesaria para este motor.

(14)

Despejando I:

3.1 Valor de carga térmica.

Analizando la metodología de cálculo del Capítulo 2, se elaboró la tabla 3con los resultados de los cálculos hechos para calcular el coeficiente pelicular de transferencia de calor (h).

Tabla #3: Resultados del cálculo del coeficiente de convección del recipiente donde se enfría el agua con el aire ambiente.

El valor de h está en correspondencia con los recomendados por varios autores (5).

En la tabla 4 aparecen los valores de flujo de calor durante el enfriamiento del agua (H2O), la pérdida de calor y las pérdidas totales.

Tabla #4: Carga térmica durante el enfriamiento del agua (H2O).

Con la ayuda del Software Refrigeration Utilities y de la metodología de cálculo del capítulo anterior se puede representar los valores del sistema en la siguiente tabla.

Tabla #5: Valores obtenidos con el Software Refrigeration Utilities

3.2 Características del compresor seleccionado.

De acuerdo con los cálculos realizados en el capítulo anterior para esta instalación el compresor seleccionado presenta las siguientes características en la tabla 6.

Tabla #6: Potencia mecánica y eléctrica del moto-compresor.

En el trabajo de puesta a punto del equipo se tenías dos unidades de compresión (ver anexo 1)

Atendiendo a dimensión, potencia consumo eléctrico relación de compresión se selecciona la unidad "a".

3.3 Impacto económico y medioambiental de la instalación de refrigeración seleccionada.

Impacto económico.

En el trabajo se tiene un sistema de refrigeración que está fuera de servicio y que no tiene una unidad de compresión por lo que se realiza una búsqueda del costo y montaje de un compresor para una unidad de refrigeración de agua de este tipo. En las tiendas recaudadoras de divisa un compresor de estas dimensiones está alrededor de los 80 cuc y el montaje de la misma por las entidades especializadas gira en torno a los 25 cuc.

Realizando un análisis al salario de un obrero encargado del montaje de la unidad de compresión en el sistema de refrigeración se tiene que:

Tabla 7. Salario básico.

Costo Indirecto.

1- Gastos complementarios.

En este caso el costo indirecto se determina sobre la base de coeficientes típicos de cada empresa que afectan a determinados parámetros del costo directo en la tabla 8 se muestra el coeficiente y el valor en MN.

Tabla 8. Costo Indirecto.

Costo Total: 398 + 2.39

Costo Total: 400.39 MN

Impacto medioambiental.

La propuesta del R134a como refrigerante desde un punto de vista medioambiental se puede afirmar que no afecta la capa de ozono, pero que si influye sobre el efecto invernadero. Pero a pesar del eso puede alcanzar un COP igual y superior a 3,5, esto último implica una disminución del consumo eléctrico por lo que se disminuyen de una manera indirecta las cantidades de CO2 que emiten la Centrales Termoeléctricas para producir la electricidad.

Conclusiones

• 1. La carga total que debe vencer el sistema de refrigeración es de 2.602 kW.

• 2. El sistema de refrigeración con R134a que se empleará en el enfriador de agua se comporta de la siguiente manera:

Potencia compresor 0.501 kW

Capacidad de refrigeración 3.103 kW.

• 3. De acuerdo con lo planteado el equipo propuesto para prácticas de laboratorio con un intercambiador de tubo y coraza, después de ser rediseñado se podrá utilizar con fiabilidad por los resultados obtenidos anteriormente.

Recomendaciones

• 1. Reanudar las prácticas de laboratorio asociadas el intercambiador de tubo en tubo.

• 2. Implementar los sistemas de control automatizados para la parada y arranque para disminuir los consumos de electricidad.

• 3. Colocar controladores de voltaje para evadir una subida o bajada de voltaje evitando la ruptura del equipo.

Bibliografía consultada

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• 3. Centro de Estudios de Energía y Medio Ambiente, "Ahorro de Energía en Sistemas Termomecánicos¨. Colectivo Autores. Centro de Estudios de Energía y Medio Ambiente, Universidad de Cienfuegos, ISBN 959-257-045-0, Editorial Universidad de Cienfuegos, 2002.

• 4. Fernández Conde, Emilio (1994). Termodinámica Técnica (Vol. III). La Habana.

• 5. Fernández Díez, Pedro (2006). Termodinámica Técnica. Cantabria. España.

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• 14. VirgilMoring, Faires (1969). Termodinámica. Edición Revolución. La Habana, 1991.

Autor:

MSc. Julio Rivero González.

MSc. Luis Manuel García Rojas.

Ing. Pedro Luis Díaz Navarro.

Ing. Durichel Díaz Silva.

Pinar del Río. 2013