camara frigorifica
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“Cámara frigorífica de exhibición de una tienda de autoservicio”
Prólogo
Este trabajo de investigación se realizara a petición del profesor para la acreditación
de la materia de taller de investigación II, en el Instituto Tecnológico de Celaya,
cursada en el noveno semestre de la carrera de ingeniería mecánica. Y consiste en
el diseño de un sistema de refrigeración para una cámara frigorífica de exhibición
para una tienda de autoservicio.
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“Cámara frigorífica de exhibición de una tienda de autoservicio”
Resumen
Ya que en las tiendas de abarrotes existen la necesidad de mantener los productos
de diversos proveedores refrigerados y también como existe una gran variedad de
productos en muchas de las ocasiones es muy complicado tener a la vista todos los
productos y también que cada proveedor quiere que uses un refrigerador diferente y
que no se utilice para otras marcas diferentes, y si se quiere comprar alguno para
poner todos los productos en uno sólo existe el detalle de que los tamaños de los
modelos que existen en el mercado no siempre se adapta a las necesidades de
espacio. Por esta razón de inicio este proyecto que consiste en el diseño de una
cámara frigorífica de exhibición que se va a adaptar a los requerimientos de espacio
y carga térmica para una tienda.
Lo primero que se necesitara será conocer las condiciones de temperatura en la
ciudad de Celaya, donde se realizará el proyecto, se ha seleccionado un sistema de
refrigeración por compresión mecánica de vapores simple, ya que la carga y la
temperatura del medio a refrigerar no son condiciones muy especificas, se realizara
un análisis de refrigeración para determinar las temperaturas de evaporación y
condensación, así como las presiones de succión y descarga que tendrá el
compresor, para conocer su potencia y posteriormente la selección de los
dispositivos, para la realización de los cálculos se considerara un sistema ideal y
posteriormente se incluirán reversibilidades. Para el espacio a refrigerar se tomaran
medidas especificas, se hará un análisis de transferencia de calor para determinar el
aislante, el espesor y el flujo de calor a través de la cámara en general.
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“Cámara frigorífica de exhibición de una tienda de autoservicio”
“CÁMARA FRIGORÍFICA DE EXHIBICIÓN DE UNA TIENDA DE AUTOSERVICIOS”
Capítulo I Marco de referencia
1.1.- Antecedentes
1.2- Planteamiento del problema.
En las tiendas de autoservicios se necesitan refrigeradores, pero existe el problema
de que en algunas ocasiones los espacios son reducidos y es difícil encontrar
refrigeradores que se adapten a las necesidades.
1.3-Justificación.
En muchas ocasiones en las tiendas se necesitan refrigeradores pero es difícil
conseguir que estén a la medida de los espacios que existen por esta razón
diseñare un sistema de refrigeración por compresión de vapor simple, para una
tienda de autoservicio para unas medidas especificas.
1.4- Objetivos.
1.4.1- Objetivo general.
Diseñar una cámara frigorífica de exhibición para una tienda de autoservicio con
medidas específicas.
1.4.2- Objetivo específico.
Diseñar una cámara frigorífica, por medio de un sistema de refrigeración por
compresión de vapores simple, para una tienda, tomando medidas específicas
de las dimensiones del refrigerador.
Establecer una metodología para el diseño de cámaras para diferentes
capacidades.
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“Cámara frigorífica de exhibición de una tienda de autoservicio”
Cumplir con las especificaciones de refrigeración para diversos productos en una
tienda.
1.5-Alcances y limitaciones.
Este proyecto está orientado a tiendas de abarrotes donde existen espacios
reducidos, por lo tanto los refrigeradores de exhibición necesitan tener dimensiones
muy específicas para ahorrar espacio, y entonces es difícil encontrar refrigeradores
con esas dimensiones en el mercado, los productos a refrigerar serán productos
lácteos como: leche, queso, yogurt, crema, mantequilla. Y también bebidas
embasadas como: refrescos, aguas, jugos, bebidas energéticas. Por lo tanto las
temperaturas de refrigeración serán entre 3° a 5° para conservar los productos
lácteos.
1.6.- Impacto.
1.6.1- Impacto económico.
Al poder contar con un refrigerador a la medida requerida en una tienda, ayudara a
mantener los productos en buenas condiciones teniendo una mejor visión de los
productos y también teniendo todos en un mismo lugar esto aumentara las ventas,
también al tener un refrigerador en la capacidad requerida, se tendrá ahorro de
electricidad.
1.6.2- Aspectos ambientales.
Se tendrá un ahorro de electricidad ya que su diseño será eficiente y la capacidad
que se manejara será específica para los productos. Se utilizara refrigerante 134a.
1.6.3- Aspectos sociales.
Se podrá dar un mejor servicio a los clientes, mejorara la imagen de la tienda y los
productos serán de mejor acceso para los usuarios.
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Capítulo II Marco teórico
2.1-Definición de refrigeración.
La refrigeración es el proceso de conservación por tratamiento físico, que consiste en
mantener un alimento o producto en buenas condiciones de temperatura (de -3ºC a
5ºC) para disminuir o inactivar microorganismos en reproducción. La reducción de
temperatura se realiza extrayendo energía del cuerpo, generalmente reduciendo su
energía térmica, lo que contribuye a reducir la temperatura de este cuerpo.
2.2- Métodos de refrigeración.
Los métodos más antiguos para enfriar son la evaporación, como en el caso del
botijo (proceso adiabático); o la utilización del hielo o la nieve naturales. Para la
preparación de refrescos o agua fría, se bajaba nieve de las montañas cercanas (a
menudo por las noches) que se guardaba en pozos y, en las casas, en armarios
aislados, que por esa razón se llamaban neveras.
Más tarde se consiguió el enfriamiento artificial mediante los métodos de compresión
y de absorción.
El método por compresión es el más utilizado, sin embargo el método por absorción
solo se suele utilizar cuando hay una fuente de calor residual o barato como en la
trigeneración.
Otros métodos son mediante un par termoeléctrico que genera una diferencia de
temperatura; mediante una sustancia fría, como antiguamente el hielo y hoy en día la
criogenia, con nitrógeno líquido o mezcla de sustancias, como sal común y hielo.
Otra posibilidad, aún en investigación y sin aplicación comercial, es utilizar el efecto
magneto calórico.
Al igual que se puede aprovechar diferencias de temperatura para producir calor,
para crear diferencias de calor, se requiere energía. A veces se llama refrigeración
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simplemente a mejorar la disipación de calor, como en la refrigeración de los motores
térmicos, o simplemente la ventilación forzada para sustituir aire caliente por aire
más fresco.
2.2.1- Refrigeración por compresión.
La refrigeración por compresión consiste en forzar mecánicamente la circulación de
un fluido en un circuito cerrado creando zonas de alta y baja presión con el propósito
de que el fluido absorba calor en un lugar y lo disipe en el otro.
2.2.1.1- Máquina frigorífica por compresión mecánica.
Una máquina frigorífica por compresión tiene por cometido desplazar energía térmica
en forma de calor entre dos puntos. La más sencilla de ellas es la refrigeración por
compresión mecánica de una etapa.
La refrigeración por compresión se logra evaporando un gas refrigerante en estado
líquido a través de un dispositivo de expansión dentro de un intercambiador de calor,
denominado evaporador. Para evaporarse este requiere absorber calor latente de
vaporización. Al evaporarse el líquido refrigerante cambia su estado a vapor. Durante
el cambio de estado el refrigerante en estado de vapor absorbe energía térmica del
medio en contacto con el evaporador, bien sea este medio gaseoso o líquido. A esta
cantidad de calor contenido en el ambiente se le denomina carga térmica. Luego de
este intercambio energético, un compresor mecánico se encarga de aumentar la
presión del vapor para poder condensarlo dentro de otro intercambiador de calor
conocido como condensador y hacerlo líquido de nuevo. En este intercambiador se
liberan del sistema frigorífico tanto el calor latente como el sensible, ambos
componentes de la carga térmica. Ya que este aumento de presión además produce
un aumento en su temperatura, para lograr el cambio de estado del fluido refrigerante
-y producir el subenfriamiento del mismo- es necesario enfriarlo al interior del
condensador; esto suele hacerse por medio de aire y/o agua conforme el tipo de
condensador, definido muchas veces en función del refrigerante. De esta manera, el
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refrigerante en estado líquido, puede evaporarse nuevamente a través de la válvula
de expansión y repetir el ciclo de refrigeración por compresión.
Otra modalidad de evaporación del refrigerante corresponde a un arreglo que permite
realizar la vaporización del refrigerante a la salida del evaporador, dando una mayor
superficie efectiva a este intercambiador al mantenerlo lleno de líquido y, por
consecuente, un mayor rendimiento. No obstante lo anterior no es posible de realizar
en todo tipo de sistemas de refrigeración ya que requiere de voluminosas
instalaciones anexas y sistemas de bombeo para alimentar a los denominados
evaporadores inundados, utilizados generalmente en plantas frigoríficas o cámaras
de refrigeración industriales. Ver figura 2.1
Fig. 2.1 Diagrama P-h para un sistema de refrigeración por compresión de vapor
Es así como la máquina frigorífica de refrigeración por compresión desplaza la
energía entre dos focos; creando zonas de alta y baja presión confinadas en
intercambiadores de calor, mientras estos procesos de intercambio de energía se
suceden cuando el fluido refrigerante se encuentra en procesos de cambio de
estado; de líquido a vapor, y viceversa.
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2.2.1.2- Equipo requerido.
2.2.1.2.1-Compresor.
El compresor tiene dos funciones en el ciclo de refrigeración: en primer lugar
succiona le vapor refrigerante y reduce la presión en el evaporador a un punto en el
que puede ser mantenida la temperatura de evaporación deseada. En segundo lugar,
el compresor eleva la presión del vapor refrigerante a un nivel lo suficientemente alto,
de modo que la temperatura de saturación sea superior a la temperatura del medio
ambiente disponible para la condensación del vapor refrigerante.
2.2.1.2.1.1- Tipos de compresores.
Existen tres tipos básicos de compresores: Reciprocantes, Rotativos y Centrífugos.
Los compresores centrífugos son utilizados ampliamente en grandes sistemas
centrales de acondicionamiento de aire y los compresores giratorios se utilizan en el
campo de los refrigeradores domésticos. Sin embargo, la mayoría de compresores
utilizados en tamaños de menor caballaje para las aplicaciones comerciales,
domésticas e industriales son reciprocantes.
Compresores Reciprocantes.
El diseño de este tipo de compresores es similar a un motor de automóvil moderno,
con un pistón accionado por un cigüeñal que realiza carreras alternas de succión y
compresión en un cilindro provisto con válvulas de succión y descarga. Debido a que
el compresor reciprocante es una bomba de desplazamiento positivo, resulta
apropiado para volúmenes de desplazamiento reducido, y es muy eficaz a presiones
de condensación elevada y en altas relaciones de compresión.
Ventajas:
Adaptabilidad a diferentes refrigerantes
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Facilidad con que permite el desplazamiento de líquido a través de tuberias
dada la alta presión creada por el compresor.
Durabilidad
Sencillez de su diseño
Costo relativamente bajo
Compresores de tipo abierto.
Los primeros modelos de compresores de refrigeración fueron de este tipo. Con los
pistones y cilindros sellados en el interior de un Cárter y un cigüeñal extendiéndose a
través del cuerpo hacia afuera para ser accionado por alguna fuerza externa. Tiene
un sello en torno del cigüeñal que evita la pérdida de refrigerante y aceite del
compresor.
Desventajas:
Mayor peso
Costo superior
Mayor tamaño
Vulnerabilidad a fallas de los sellos
Difícil alineación del cigüeñal
Ruido excesivo
Corta vida de las bandas o componentes de acción directa
Este compresor ha sido reemplazado por el moto-compresor de tipo semihermético y
hermético, y su uso continua disminuyendo a excepción de aplicaciones
especializadas como es el acondicionamiento de aire para automóviles.
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Moto-compresores semiherméticos.
Este tipo de compresores fue iniciado por Copeland y es utilizado ampliamente en los
populares modelos Copelametic. El compresor es accionado por un motor eléctrico
montado directamente en el cigüeñal del compresor, con todas sus partes, tanto del
motor como del compresor, herméticamente selladas en el interior de una cubierta
común.
Se eliminan los trastornos del sello, los motores pueden calcularse específicamente
para la carga que han de accionar, y el diseño resultante es compacto, económico,
eficiente y básicamente no requiere mantenimiento. Las cabezas cubiertas del
estator, placas del fondo y cubiertas de Carter son desmontables permitiendo el
acceso para sencillas reparaciones en el caso de que se deteriore el compresor.
Moto-compresor hermético.
Este fue desarrollado en un esfuerzo para lograr una disminución de tamaño y costo
y es ampliamente utilizado en equipo unitario de escasa potencia. Como en el caso
del moto-compresor semihermético, el motor eléctrico se encuentra montado
directamente en el cigüeñal del compresor, pero el cuerpo es una carcaza metálica
sellada con soldadura. En esti tipo de compresores no pueden llevarse a cabo
reparaciones interiores puesto que la única manera de abrirlos es cortar la carcasa
del compresor.
2.2.1.2.1.2-Funcionamiento Básico.
Cuando el pistón se mueve hacia abajo en la carrera de succión se reduce la presión
en el cilindro. Y cuando la presión del cilindro es menor que el de la línea de succión
del compresor la diferencia de presión motiva la apertura de las válvulas de succión y
fuerza al vapor refrigerante a que fluya al interior del cilindro.
Cuando el pistón alcanza el fin de su carrera de succión e inicia la subida ( carrera de
compresión), se crea una presión en el cilindro forzando el cierre de la válvulas de
succión. La presión en el cilindro continua elevándose a medida que el cilindro se
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desplaza hacia arriba comprimiendo el vapor atrapado en el cilindro. Una vez que la
presión en el cilindro es mayor a la presión existente en la línea de descarga del
compresor, las válvulas de descarga se abren y el gas comprimido fluye hacia la
tubería de descarga y al condensador.
Cuando el pistón inicia su carrera hacia abajo la reducción de la presión permite que
se cierren la válvulas de descarga, dada la elevada presión del condensador y del
conducto de descarga, y se repite el ciclo.
Durante cada revolución del cigüeñal se produce una carrera de succión y otra de
compresión de cada pistón. De modo que en los moto-compresores de 1750 rpm
tienen lugar a 1750 ciclos completos de succión y compresión en cada cilindro
durante cada minuto. En los compresores de 3500 rpm se tiene 3500 ciclos
completos en cada minuto.
2.2.1.2.1.3-Válvulas en el compresor.
La mayoría de las válvulas del compresor reciprocante son del tipo de lengueta y
deben posicionarse adecuadamente para evitar fugas. El más pequeño fragmento de
materia extraña o corrosión bajo la válvula producirá fugas y deberá tenerse el
máximo cuidado para proteger el compresor contra contaminación.
2.2.1.2.1.4-Desplazamiento del compresor.
El Desplazamiento de un compresor reciprocante es el volumen desplazado por los
pistones. La medida de desplazamiento depende del fabricante, por ejemplo:
Copeland lo publica en metros cúbicos por hora y pies cúbicos por hora pero algunos
fabricantes lo publican en pulgadas cubicas por revolución o en pies cúbicos por
minuto.
El desplazamiento del compresor lo podemos calcular mediante las formulas
siguientes:
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MCH= metros cúbicos por hora
MCM= metros cúbicos por minuto
Cm3/Rev = centímetros cúbicos por revolución
D = diámetro del cilindro (cm)
L = Largo carrera (cm)
N = número de cilindros
RPM = Revoluciones por minuto
1000= Centímetros cúbicos por metro.
2.2.1.2.1.1.5-Volumen de espacio libre
La eficiencia de un compresor depende de su diseño. Si las válvulas esta bien
posicionadas, el factor más importante es el volumen del espacio libre. Una vez
completada la carrera de compresión todavía que a cierto espacio libre el cual es
esencial para que el pistón no golpee contra el plato de válvulas. Existe además otro
espacio en los orificios de la válvulas de descarga puesto que estos se encuentran
en la parte superior del plato.
Este espacio residual que no e desalojado por el pistón al fin de su carrera, se
denomina volumen de espacio libre. Que permanece lleno con gas comprimido y
caliente al final de la carrera de compresión. Cuando el pistón inicia el descenso en
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la carrera de succión, se expande el gas residual de elevada presión y se reduce su
presión. En el cilindro no puede penetrar vapor de la línea de succión hasta que la
presión en el se reduzca a su valor menor que el de la línea de succión. La primera
parte de la carrera de succión se pierde bajo un punto de vista de capacidad, ya que
a medida que se aumenta la relación de compresión, un mayor porcentaje de la
carrera de succión es ocupada por el gas residual.
2.2.1.2.1.6-Lubricación.
Siempre debe de mantenerse un adecuado suministro de aceite en el cárter, para
asegurar una continua lubricación. En algunos compresores la lubricación se efectúa
por medio de una bomba de aceite de desplazamiento positivo.
2.2.1.2.1.7-Capacidad del compresor.
Los datos de capacidad los facilita el fabricante de cada modelo de compresor para
los refrigerantes con los que puede ser utilizado. Estos datos pueden ofrecerse en
forma de curvas o tablas, en indica la capacidad en Kcal/ hora, a diversas
temperaturas de succión y de descarga.
2.2.1.2.2-Condensador.
La condensación se puede producir bien utilizando aire mediante el uso de un
ventilador o con agua (esta última suele ser en circuito cerrado con torre de
refrigeración, en un río o la mar). La condensación sirve para condensar el vapor,
después de realizar un trabajo termodinámico p.ej. una turbina de vapor o para
condensar el vapor comprimido de un compresor de frío en un circuito frigorífico.
Cabe la posibilidad de seguir enfriando ese fluido, obteniéndose líquido subenfriado
en el caso del aire acondicionado.
El condensador termodinámico es utilizado muchas veces en la industria de la
refrigeración, el aire acondicionado o en la industria naval y en la producción de
energía eléctrica, en centrales térmicas o nucleares.
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Adopta diferentes formas según el fluido y el medio. En el caso de un sistema
fluido/aire, está compuesto por uno tubo de diámetro constante que curva 180° cada
cierta longitud y unas láminas, generalmente de aluminio, entre las que circula el
aire.
Un condensador es un cambiador de calor latente que convierte el vapor de su
estado gaseoso a su estado líquido, también conocido como fase de transición. El
propósito es condensar la salida (o extractor) de vapor de la turbina de vapor para
así obtener máxima eficiencia e igualmente obtener el vapor condensado en forma
de agua pura de regreso a la caldera. Condensando el vapor del extractor de la
turbina de vapor, la presión del extractor es reducida arriba de la presión atmosférica
hasta debajo de la presión atmosférica, incrementando la caída de presión del vapor
entre la entrada y la salida de la turbina de vapor. Esta reducción de la presión en el
extractor de la turbina de vapor, genera más calor por unidad de masa de vapor
entregado a la turbina de vapor, por conversión de poder mecánico.
2.2.1.2.2.1-Función del condensador
La función principal del condensador en una central térmica es ser el foco frío o
sumidero de calor dentro del ciclo termodinámico del grupo térmico. Por tanto, su
misión principal es condensar el vapor que proviene del escape de la turbina de
vapor en condiciones próximas a la saturación y evacuar el calor de condensación
(calor latente) al exterior mediante un fluido de intercambio (aire o agua).
En el caso de una máquina frigorífica, el condensador tiene por objetivo la disipación
del calor absorbido en el evaporador y de la energía del compresor.
Adicionalmente, el condensador recibe los siguientes flujos:
Las purgas de los calentadores y otros elementos, que una vez enfriadas son
incorporadas al circuito de condensado.
El aire que procede de entradas furtivas en los diversos elementos del ciclo
agua-vapor, a través de los cierres de la turbina de vapor o con el agua de
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reposición al ciclo. Éste debe ser extraído y enviado al exterior mediante
eyectores o bombas de vacío.
El vapor procedente del escape de la turbo-bomba de agua de alimentación si
la hay en la instalación.
El vapor de los by-passes de turbina de vapor, que en determinados modos de
operación transitorios (arranques, paradas, disparos, cambios bruscos de
carga) conducen directamente al condensador todo el vapor generador en la
caldera una vez atemperado.
El agua de aportación al ciclo para reponer las purgas, fundamentalmente la
purga continua. Esta agua es desmineralizada y proviene del tanque de
reserva de condensado.
Las condiciones en el interior del condensador son de saturación, es decir, está a la
presión de saturación correspondiente a la temperatura de condensación del vapor.
Esta presión es siempre inferior a la atmosférica, es decir, se puede hablar de vacío.
2.2.1.2.2.2-Disposición constructiva de un condensador en centrales térmicas
Los condensadores que emplean aire como fluido refrigerante, llamados
Aerocondensadores, tienen un bajo rendimiento y, por tanto, necesitan de grandes
superficies para ser instalados. Este es el motivo de que el uso de este tipo de
condensadores no esté generalizado, pasando a usarse sólo en los casos en los que
no haya disponibilidad de agua.
Nos centraremos, por tanto, en los condensadores de agua como fluido refrigerante.
Los condensadores de las central térmica son cambiadores de calor tubulares, de
superficie, del tipo carcasa y tubo en los que el agua (fluido refrigerante) circula por
los tubos y el vapor (fluido enfriado) circula por el lado de la carcasa. Los tubos están
dispuestos de forma horizontal, con una pequeña pendiente para poder ser drenados
con facilidad y agrupados en paquetes.
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“Cámara frigorífica de exhibición de una tienda de autoservicio”
Las partes más significativas de un condensador son:
Cuello. Es el elemento de unión con el escape de la turbina de vapor. Tiene
una parte más estrecha que se une al escape de la turbina de vapor bien
directamente mediante soldadura o bien a través de una junta de expansión
metálica o de goma que absorbe los esfuerzos originados por las dilataciones
y el empuje de la presión atmosférica exterior. La parte más ancha va soldada
a la carcasa del condensador.
Carcasa o cuerpo. Es la parte más voluminosa que constituye el cuerpo
propiamente dicho del condensador y que alberga los paquetes de tubos y las
placas. Suele ser de acero al carbono.
Cajas de agua. Colector a la entrada y a la salida del agua de refrigeración
(agua de circulación) con el objeto de que ésta se reparta de forma uniforme
por todos los tubos de intercambio. Suelen ser de acero al carbono con un
recubrimiento de protección contra la corrosión que varía desde la pintura tipo
epoxy (para el agua de río) hasta el engomado(para el agua de mar). Suelen ir
atornillados al cuerpo del condensador.
Tubos. Son los elementos de intercambio térmico entre el agua y el vapor. Su
disposición es perpendicular al eje de la turbina. Suelen ser de acero
inoxidable (agua de río) y titanio (agua de mar).
Placas de tubos. Son dos placas perforadas que soportan los dos extremos de
los tubos. Constituyen la pared de separación física entre la zona del agua de
las cajas de agua y la zona de vapor del interior de la carcasa. Suelen ser de
acero al carbono con un recubrimiento (cladding) de titanio en la cara exterior
cuando el fluido de refrigeración es agua de mar. La estanqueidad entre los
extremos de los tubos y las placas de tubos se consigue mediante el
aborcardado de los extremos de los tubos y mediante una soldadura de
sellado.
Placas soporte. Placas perforadas situadas en el interior de la carcasa y
atravesadas perpendicularmente por los tubos. Su misión es alinear y soportar
los tubos, así como impedir que éstos vibren debido a su gran longitud. Su
número depende de la longitud de los tubos. Suelen ser de acero al carbono.
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Pozo caliente. Depósito situado en la parte inferior del cuerpo que recoge y
acumula el agua que resulta de la condensación del vapor. Tiene una cierta
capacidad de reserva y contribuye al control de niveles del ciclo. De este
depósito aspiran la bombas de extracción de condensado.
Zona de enfriamiento de aire. Zona situada en el interior de los paquetes de
tubos, protegida de la circulación de vapor mediante unas chapas para
conseguir condiciones de subenfriamiento. De esta manera, el aire disuelto en
el vapor se separa del mismo y mediante un sistema de extracción de aire
puede ser sacado al exterior.
Sistema de extracción de aire. Dispositivos basados en eyector que emplean
vapor como fluido motriz o bombas de vacío de anillo líquido. Su misión, en
ambos casos, es succionar y extraer el aire del interior del condensador para
mantener el vacío. Estos dispositivos aspiran de la zona de enfriamiento de
aire.
2.2.1.2.2.3-Tipos de condensadores
Según su disposición relativa con respecto de la turbina de vapor, los condensadores
pueden clasificarse en:
Axiales. Están situados al mismo nivel que la turbina de vapor. Son típicos de
turbina de vapor hasta 150 MW, potencias hasta las cuales el cuerpo de baja
presión es de un solo flujo y escape axial.
Laterales. Están situados al mismo nivel que la turbina de vapor. El cuerpo de
baja presión de la turbina de vapor es de dos flujos.
Inferiores. Están situados debajo de la turbina de vapor de baja presión, lo que
les obliga a estar metidos en un foso y que el pedestal del grupo
turbogenerador esté en una cota más elevada, encareciéndose la obra civil.
Dadas las potencias de las centrales convencionales actuales, éste es el tipo
de condensador más usualmente empleado. La turbina de vapor de baja tiene
doble flujo, pudiendo haber además varios cuerpos.
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Según el número de pasos pueden ser:
Un paso. Hay una única entrada y una única salida de agua en cada cuerpo
del condensador. Típica en circuitos abiertos de refrigeración.
Dos pasos. El agua entra y sale dos veces en el cuerpo del condensador.
Según el número de cuerpos:
Un cuerpo. El condensador tiene una sola carcasa.
Dos cuerpos. El condensador tiene dos carcasas independientes. Esta
disposición es muy útil, ya que permite funcionar sólo con medio condensador.
Tipos de condensadores para máquinas frigoríficas
Los tipos de condensadores más utilizados en una máquina frigorífica son los
siguientes:
Tubos y aletas. Se utilizan cuando se disipa el calor a una corriente de aire.
De placas. Se utilizan cuando se disipa el calor a una corriente de
agua.es:Condensador (termodinámica)
2.2.1.2.3-Valvula de expansión y control.
En términos generales, la válvula de expansión es un dispositivo que se usa para
regular la entrada en el evaporador del agente refrigerante en su fase líquida,
procedente del condensador a través de la correspondiente tubería, conocida como
línea de líquido.
El refrigerante líquido a alta presión, que procede del depósito de la unidad
condensadora pasa por la válvula de expansión para convertirse en líquido a baja
presión. Dicha válvula es la divisoria entre las partes de alta y baja presión del
sistema.
Así, tiene dos funciones distintas:
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“Cámara frigorífica de exhibición de una tienda de autoservicio”
- Regular la velocidad de admisión de líquido en el serpentín de enfriamiento y
consecuentemente controlar la proporción de área superficial interior que se
encuentra en contacto con el refrigerante líquido.
- Mantener constante la carga del compresor al mantener invariable la presión
de succión. El aumento en la carga del sistema de refrigeración origina un
incremento en la presión de succión pues el vapor se forma con mayor
rapidez, si se mantiene constante esta presión la capacidad refrigerante del
compresor es inalterable en todo momento.
De acuerdo a su funcionamiento se dividen en válvulas de expansión automática,
termostáticas y de flotador, accionadas respectivamente por las diferentes presiones,
temperaturas o nivel de refrigerante en el evaporador. En algunas instalaciones se
utilizan también válvulas de expansión tituladas fijas, las cuales mantienen un paso
determinado de líquido sin posibilidad de regulación.
La válvula empleada en el laboratorio es termostática, de modo que posee un
elemento térmico (bulbo) conectado por medio de un pequeño tubo capilar sellado.
Esta válvula posee un igualador de presión, cuya existencia se justifica al considerar
que en ciertos evaporadores, particularmente en aquellos de gran capacidad, existen
pérdidas de presión. En general, este igualador de presión puede ser interior (en el
mismo cuerpo de la válvula) o exterior (con conexiones fuera de la misma). En el
primer caso, dicho igualador consiste en un paso en el interior de la válvula que
comunica la presión de aspiración al fuelle por debajo, balanceando así la presión de
trabajo de la válvula y evitando que las altas presiones que se originan en la
aspiración por inundación del evaporador a la puesta en marcha, afecten la
regulación de la válvula de expansión. En las válvulas con igualadores de presión
exterior, esta comunicación se consigue por medio de un tubo conectado desde la
cámara debajo del fuelle hasta la línea de aspiración después del punto donde hace
contacto el bulbo de la válvula.
Ahora bien, el principio de funcionamiento de la válvula de expansión termostática es
el siguiente: la válvula mantiene un sobrecalentamiento constante en el evaporador.
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El bulbo está lleno parcialmente con refrigerante líquido y mantiene algo de líquido
en todas las condiciones de temperatura y carga, además está adaptado a la línea
de succión de modo que cualquier cambio de temperatura en esta línea origine el
cambio correspondiente en el bulbo térmico. Bajo un aumento de carga térmica, el
refrigerante hierve con mayor rapidez en el evaporador, esto ocasiona el aumento de
la temperatura en el bulbo térmico debido al sobrecalentamiento. La mayor
temperatura produce una presión superior dentro del bulbo y el tubo capilar, lo que a
su vez, origina la expansión del fuelle metálico y una mayor abertura de la válvula.
Como resultado se admite mayor refrigerante líquido al evaporador para compensar
el aumento de carga.
2.2.1.2.4- Evaporador
Se conoce por evaporador al intercambiador de calor que genera la transferencia de
energía térmica contenida en el medio ambiente hacia un gas refrigerante a baja
temperatura y en proceso de evaporación. Este medio puede ser aire o agua.
Estos intercambiadores de calor se encuentran al interior de neveras, refrigeradores
domésticos, cámaras de refrigeración industrial, vitrinas comerciales para alimentos y
un sinfín de aplicaciones en procesos para la industria de alimentos, así como en
procesos químicos. De igual manera, también se encuentran al interior una diversa
gama de equipos de aire acondicionado. Es debido a esto que el evaporador tiene un
diseño, tamaño y capacidad particular conforme la aplicación y carga térmica.
2.2.1.2.4.1-Principio de funcionamiento
En los sistemas frigoríficos el evaporador opera como intercambiador de calor, por
cuyo interior fluye el refrigerante el cual cambia su estado de líquido a vapor. Este
cambio de estado permite absorber el calor sensible contenido alrededor del
evaporador y de esta manera el gas, al abandonar el evaporador lo hace con una
energía interna notablemente superior debido al aumento de su entalpía,
cumpliéndose así el fenómeno de refrigeración.
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“Cámara frigorífica de exhibición de una tienda de autoservicio”
El flujo de refrigerante en estado líquido es controlado por un dispositivo o válvula de
expansión la cual genera una abrupta caída de presión en la entrada del evaporador.
En los sistemas de expansión directa, esta válvula despide una fina mezcla de
líquido y vapor a baja presión y temperatura. Debido a las propiedades
termodinámicas de los gases refrigerantes, este descenso de presión está asociado
a un cambio de estado y, lo que es más importante aún, al descenso en la
temperatura del mismo.
De esta manera, el evaporador absorbe el calor sensible del medio a refrigerar
transformándolo en calor latente el cual queda incorporado al refrigerante en estado
de vapor. Este calor latente será disipado en otro intercambiador de calor del sistema
de refrigeración por compresión conocido como condensador dentro del cual se
genera el cambio de estado inverso, es decir, de vapor a líquido.
2.2.1.2.4.2-Tipos de evaporador
Debido a que un evaporador es cualquier superficie de transferencia de calor en la
cual se vaporiza un líquido volátil para eliminar calor de un espacio o producto
refrigerado, los evaporadores se fabrican en una gran variedad de tipos, tamaños y
diseños y se pueden clasificar de diferentes maneras.
Según alimentación de refrigerante
De Expansión Directa o Expansión Seca (DX)
En los evaporadores de expansión directa la evaporación del refrigerante se lleva a
cabo a través de su recorrido por el evaporador, encontrándose este en estado de
mezcla en un punto intermedio de este. De esta manera, el fluido que abandona el
evaporador es puramente vapor sobrecalentado. Estos evaporadores son los más
comunes y son ampliamnete utilizados en sistemas de aire acondicionado. No
obstante son muy utilizados en la refrigeración de media y baja temperatura, no son
los más apropiados para instalaciones de gran volumen. Ver figura 2.2
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“Cámara frigorífica de exhibición de una tienda de autoservicio”
Fig. 2.2 Esquema de un evaporador de expansión directa.
Inundados
Los evaporadores inundados trabajan con refrigerante líquido con lo cual se llenan
por completo a fin de tener humedecida toda la superficie interior del intercambiador
y, en consecuencia, la mayor razón posible de transferencia de calor. El evaporador
inundado está equipado con un acumulador o colector de vapor el que sirve, a la vez,
como receptor de líquido, desde el cual el refrigerante líquido es circulado por
gravedad a través de los circuitos del evaporador. Preferentemente son utilizados en
aplicaciones industriales, con un número considerable de evaporadores, operando a
baja temperatura y utilizando amoníaco (R717) como refrigerante. Ver figura 2.3
Fig. 2.3 Diagrama de un evaporador tipo inundado
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“Cámara frigorífica de exhibición de una tienda de autoservicio”
Sobrealimentados
Un evaporador sobrealimentado es aquel en el cual la cantidad de refrigerante
líquido en circulación a través del evaporador ocurre con considerable exceso y que
además puede ser vaporizado. Ver figura 2.4
Fig. 2.4 Diagrama de un evaporador sobrealimentado.
Según tipo de construcción
Tubo descubierto
Los evaporadores de tubo descubierto se construyen por lo general en tuberías de
cobre o bien en tubería de acero. El tubo de acero se utiliza en grandes
evaporadores y cuando el refrigerante a utilizar sea amoníaco (R717), mientras para
pequeños evaporadores se utiliza cobre. Son ampliamente utilizados para el
enfriamiento de líquidos o bien utilizando refrigerante secundario por su interior
(salmuera, glicol), donde el fenómeno de evaporación de refrigerante no se lleva a
cabo, sino más bien estos cumplen la labor de intercambiadores de calor. Ver figura
2.5.
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“Cámara frigorífica de exhibición de una tienda de autoservicio”
Fig. 2.5 Evaporador de tubo descubierto
De superficie de Placa
Existen varios tipos de estos evaporadores. Uno de ellos consta de dos placas
acanaladas y asimétricas las cuales son soldadas herméticamente una contra la otra
de manera tal que el gas refrigerante pueda fluir por entre ellas; son ampliamente
usados en refrigeradores y congeladores debido a su economía, fácil limpieza y
modulación de fabricación. Otro tipo de evaporador corresponde a una tubería
doblada en serpentín instalada entre dos placas metálicas soldadas por sus orillas.
Ambos tipos de evaporadores, los que suelen ir recubiertos con pintura epóxica,
tienen excelente respuesta en aplicaciones de refrigeración para mantención de
productos congelados.
Evaporadores Aleteados
Los serpentines aleteados son serpentines de tubo descubierto sobre los cuales se
colocan placas metálicas o aletas y son los más ampliamente utilizados en la
refrigeración industrial como en los equipos de aire acondicionado. Las aletas sirven
como superficie secundaria absorbedora de calor y tiene por efecto aumentar el área
superficial externa del intercambiador de calor, mejorándose por tanto la eficiencia
para enfriar aire u otros gases.
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“Cámara frigorífica de exhibición de una tienda de autoservicio”
El tamaño y espaciamiento de las aletas depende del tipo de aplicación para el cual
está diseñado el serpentín. Tubos pequeños requieren aletas pequeñas y viceversa.
El espaciamiento de la aletas varía entre 1 hasta 14 aletas por pulgada, dependiendo
principalmente de la temperatura de operación del serpentín. A menor temperatura,
mayor espaciamiento entre aletas; esta distancia entre las aletas es de elemental
relevancia frente la formación de escarcha debido a que esta puede obstruir parcial o
totalmente la circulación de aire y disminuir el rendimiento del evaporador.
Esta circulación de aire se realiza de dos maneras: por convección forzada por
ventiladores –bien sean centrífugos o axiales, mono o trifásicos, conforme la
aplicación- y de manera natural por diferencia de densidades del aire, fenómeno
conocido como convección natural. Ver figura 2.6
Fig. 2.6 Evaporador aleteado.
Evaporadores para Enfriamiento de Líquido
Enfriador de doble tubo
Es un serpentin que enfria liquido que suministra gran rango de transferencia de
calor entre el refrigerante y el liquido que va a ser enfriado. El camino del refrigerante
puede ser a traves de uno u otro de los tubos aunque usualmente la salmuera o
liquido que va a ser enfriadose hace circular a traves del tubo interior y el refrigerante
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“Cámara frigorífica de exhibición de una tienda de autoservicio”
que remueve el calor esta entre los dos tubos. Este tipo de serpentin para
intercambio de calor se usa tambien en el diseño de condensadores.pipas
Enfriador Baudelot
Puede usarse para enfriar agua, u otros liquidos o para varios usos industriales, y es
frecuentemente usado como enfriador de leche. La tuberia del evaporador se coloca
verticalmente, y el liquido que va enfriarse se hace circular sobre los serpentines de
enfriamientos mediante el flujo de gravedad desde el arreglo colocado encima de los
serpentines. El liquido es recogido en una bandeja la cual puede ser recirculado por
el enfriador baudelot o bombeado a su destino en el proceso industrial
Enfriador con serpentín en casco
Este tipo consiste en un enfriador de tubos lisos instalado en el centro o al lado del
tanque de acero, sumergido en el líquido a enfriar, el serpentín está separado del
cuerpo principal del líquido por un deflector. Dentro de este tipo de evaporadores se
encuentran los utilizados como acumuladores de hielo.
2.3.- Unidades de medida
Hay que distinguir, en la potencia, dos magnitudes: potencia absorbida (en energía
mecánica, sea con motor eléctrico, con motor de explosión o con turbina) y potencia
de enfriamiento o de refrigeración
En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la potencia de los equipos
frigoríficos se mide en vatios (W) o en múltiplos de sus unidades.
En el Sistema técnico de unidades se utiliza para la potencia de enfriamiento
la caloría/hora, aceptada en un anexo del SI, aunque a menudo se llama
frigoría/hora que tiene la misma definición que la caloría/hora y la única
diferencia es que se emplea para medir el calor extraído, no el aportado.
En la práctica comercial norteamericana, la potencia de refrigeración se mide
en "toneladas de refrigeración", o en BTUs.
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“Cámara frigorífica de exhibición de una tienda de autoservicio”
2.4- Aislamiento
2.4.1- Material para aislamiento
Panel Poliuretano frigorífico (PUR)
Específicamente diseñados para obtener un aislamiento optimo en cámaras
frigoríficas, secaderos, salas blancas e incluso túneles de congelación. Ofrecen una
completa estanqueidad, facilitando por tanto el control de la temperatura y la
humedad. Estas características lo hacen especialmente aconsejable para cubrir las
necesidades de la industria agroalimentaria.
Permite una gran versatilidad de acabados, combinando prelacados de 25 micras,
acabados en plastisol de 100 y 200 micras, chapa galvanizada e incluso acero
inoxidable. Ver Tabla 2.1
Tabla 2.1 Nos muestra las propiedades del poliuretano frigorífico.
Panel poliuretano (PUR) bajo espesor
Son paneles diseñados para cerramientos de tabiquería interior, para casetas de
obra y falsos techos. Se caracterizan por tener una junta simétrica que proporciona
fachadas sin ningún tipo de holgura. En la tabla 2.2 podemos ver las propiedades
para el poliuretano de bajo espesor. Ver figura 2.7
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“Cámara frigorífica de exhibición de una tienda de autoservicio”
Fig. 2.7 Panel de Poliuretano
Tabla 2.2 Propiedades de poliuretano de bajo espesor.
Panel poliisocianurato (PIR) Ver tabla 2.3
El panel Isotermia de poliisocianurato PIR alcanza una reacción al fuego en el
ensayo SBI, BS2d0.
Está diseñado para soportar gradientes diferenciales altos de temperaturas
externas e internas.
Incorpora una junta que alcanza un excelente comportamiento térmico y que no
necesita acomodar sellantes.
Está disponible en un rango de perfiles, de imprimaciones y espesores de
aislamiento de espuma para satisfacer la demanda del cliente. Anchos de panel
1000 y 1125mm, espesores desde 40 hasta 240 mm.
Está diseñado para aplicaciones de refrigeración, túneles, cámaras, procesado de
alimentos, con un rango interno de temperaturas de -50ºC a +60ºC.
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“Cámara frigorífica de exhibición de una tienda de autoservicio”
Es higiénicamente seguro, resistente a la humedad y evita cualquier riesgo de
crecimiento de moho y bacterias.
Presenta un largo ciclo de durabilidad, hasta 30 años para su primer
mantenimiento y hasta 40 años de vida útil.
Puede ser totalmente reciclado. La espuma PIR posee un alto poder calorífico y se
puede emplear como combustible para la generación de electricidad en plantas
incineradoras con turbina de vapor.
Comportamiento al fuego
El panel Isotermia se ha desarrollado con tecnología de fabricación de espumas
PIR, partiendo de nuevos polioles, sin aditivos halogenados retardantes de llama,
exentos de HCFC y formulaciones de índex de valor medio, dando paso a una
nueva generación de paneles PIR, estables dimensionalmente y con propiedades
de adherencia óptimas.
La molécula PIR, a diferencia de la linealidad de las cadenas de otros
poliuretanos, presenta una estructura en red que le confiere estabilidad y las
propiedades de reacción al fuego, como así lo atestigua el haber pasado con éxito
el ensayo SBI (Single Burning Item), con la clasificación BS2d0.
El valor del índex se ha dimensionado con el fin de evitar las inferiores
propiedades mecánicas de los hasta ahora paneles comercializados con espuma
pir, cuyos altos índex provocaban baja adherencia.
El panel Isotermia PIR, alcanza la Euroclase B por ser un producto poco
combustible. Es decir, implica que la inflamación generalizada, de acuerdo con el
ensayo sea superior a 20 minutos.
La Subclase S2 define un panel de contribución de humo media.
Y por último la subclasificación d0, conlleva que no hay caída de gotas inflamadas.
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“Cámara frigorífica de exhibición de una tienda de autoservicio”
Tabla 2.3 Propiedades del panel poliisocianurato.
2.4.2Técnicas de aislamiento y construcción de cámaras frigoríficas
Descripción cómo se aísla el suelo de una cámara frigorífica de temperatura negativa
1. Vaciado sanitario bajo el suelo de la cámara cuya finalidad es evitar la congelación
del suelo, ya que su expansión daría lugar a daños en los cimientos.
(Alternativa: calentamiento del subsuelo mediante resistencias eléctricas)
2. Solera de limpieza de unos 5 cm más cartón alveolar que absorba irregularidades
precedentes.
3. Formación de la barrera de vapor mediante tela asfáltica y fibra de vidrio fundida.
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“Cámara frigorífica de exhibición de una tienda de autoservicio”
Capítulo III Diseño conceptual
Este capítulo tratara a cerca del diseño de la cámara frigorífica, comenzando con la
hoja de preguntas, hoja de especificaciones, hoja de requerimientos, sistema técnico,
diseño conceptual, toma de decisiones para el tipo de sistema de refrigeración,
selección del tipo de aislamiento. Para finalizar el diseño conceptual se darán las
dimensiones de la cámara y un modelo del sistema de refrigeración de manera ideal.
3.1 Hoja de preguntas.
“Diseño de una cámara frigorífica de exhibición para una tienda de autoservicio”
20/noviembre/2011
Folio No. 1
Preguntas Respuestas u observaciones
1. ¿Qué productos se van a refrigerar?
2. ¿Tiene algún espacio destinado para la cámara?
3. ¿Cuáles son esas medidas?
4. El espacio que tiene destinado, ¿Ya incluye el equipo de refrigeración necesario?
5.¿Cómo tiene pensado que será la carga? Lo operara a su máxima capacidad.
6. ¿Quiere qué lleve iluminación por dentro?
Refrescos, agua embotellada, jugos embazados, productos lácteos.
Sí, pero no debe de pasar las medidas que se tienen estimadas.
Serían 3 metros de largo por 2.5m de alto y 1.3m de profundidad.
No, ese equipo debe de quedar en la parte posterior de la cámara o a un costado y no tendría problemas para las dimensiones
Si, se tiene pensado que casi siempre se opere al máximo.
Pues si no existe ningún problema pues estaría bien sino de preferencia solo en las puertas.
Omar Cerritos CornejoDiseñador
Cliente
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“Cámara frigorífica de exhibición de una tienda de autoservicio”
3.2 Hoja de Especificaciones o requerimientos
“Diseño de una cámara frigorífica de exhibición para una tienda de autoservicio”
20/noviembre/2011
Folio No. 1
Especificaciones ó requerimientosF/D
Respuestas u observaciones
1. La temperatura a la que se quiere mantener las productos es de 4°C
2. El espacio que ocupara la cámara será de 3X2.5X1.3m
3. La selección del equipo se hará para que el proyecto sea más económico.
4. Para posicionar los equipos de refrigeración que van por fuera, se pondrán en un lugar cercano a la cámara.
5. El número de puertas será de 3 para un fácil acceso
F
F
D
D
D
Puede variar entre 3°C y 5°C ya que los productos no son tan delicados y pueden operar en estas temperaturas
Deben de ser las medidas específicas para que no se tenga que modificar nada en la tienda.
Con que se cumplan las especificaciones en la temperatura de enfriamiento
Se pueden colocar cerca de la cámara o por la parte posterior ya que existe un buen espacio.
Se requiere la mejor visibilidad pero se deja a consideración del diseñador.
Omar Cerritos CornejoDiseñador Cliente
F= Forzoso D= Deseable
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“Cámara frigorífica de exhibición de una tienda de autoservicio”
3.3 Sistema técnico.
Refrigerante frio
CAJA NEGRA(transformación)
Refrigerante caliente
Energía eléctrica Energía mecánica
Nivel de temperatura Energía eólica
Cantidad de refrigerante Bebidas enfriadas
Bebidas al tiempo Energía calorífica
3.4 Estructura funcional.
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“Cámara frigorífica de exhibición de una tienda de autoservicio”
3.4 Análisis de posibles casos.
3.4.1 Selección de sistema de refrigeración
Características a evaluar
TamañoTipo de
refrigerante
Temperatura de
refrigeración
Conocimiento sobre el sistema
TotalTipos de sistemas de refrigeraciónPor compresión de vapores simple
4 4 4 4 16
Por compresión de vapores multietapas
3 4 1 4 12
Por compresión de gas
1 2 3 3 9
Por absorción 1 1 2 1 5
Se calificara del 1 al 4, siendo 1 el menos adecuado, 2 regular, 3 bueno y 4 el más
adecuado, tomando las características de la hoja de preguntas y especificaciones.
Se utilizara un sistema de refrigeración por compresión mecánica de vapor simple, ya
que la temperatura no es muy baja, su análisis es el más simple, no ocupa mucho
espacio y porque tengo mejor conocimiento sobre ese sistema.
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“Cámara frigorífica de exhibición de una tienda de autoservicio”
3.4.2 Selección de refrigerante.
Características a evaluar Peligrosida
d
Adecuación al sistema
de refrigeración seleccionado
Temperatura de fusión y
ebulliciónDisponibilidad Total
Tipos de refrigerantes
Amoniaco 2 3 3 3 11
Agua 4 1 1 4 10
134 a 3 4 4 4 17
Propano1 2 2 3 8
Se calificara del 1 al 4, siendo 1 el menos adecuado, 2 regular, 3 bueno y 4 el más
adecuado.
La opción de refrigerante será el 134 a, aunque el amoniaco también tuvo buena
calificación es más fácil el manejo del 134 a.
3.4.3 Selección de material aislante.
Características a evaluar Dimensiones
adaptables a las
dimensiones
UsosDisponibilida
dCostos TotalTipos de
sistemas de refrigeración
Panel Poliuretano frigorífico (PUR) 3 3 3 3 12
Panel poliuretano (PUR) bajo espeso
2 3 3 3 11
Panel poliisocianurato (PIR)
1 1 2 1 5
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“Cámara frigorífica de exhibición de una tienda de autoservicio”
Se calificara del 1 al 3, siendo 1 el menos adecuado, 2 regular y 3 el más adecuado.
Para el aislante se puede ser cualquiera de los dos paneles de poliuretano pero es
más factible usas el de bajo espesar ya que se adapta mejor a las dimensiones y no
se desperdiciaría tanto material.
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