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S.E.P. S.E.1.T. D.G.1.T CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACION Y DESARROLLO TECNOLOGICO enidet. DISEÑO DE UN SISTEMA DE REFRIGERACION POR ABSORCION PARA LA CONSERVACION DE PRODUCTOS DEL MAR OPERANDO CON ENERGIA SOLAR P R E S E N T A HECTOR DAVID ARIAS VARELA CUERNAVACA, MOR. JUNIO DE 1992 Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico ACADEMIA DE LA MAESTRZA EN C!ESZIAC EN INCENIERIA MECANICA Cuernavaca. Mor., a 28 de Mayo de 1992. Dr. Juan Manuel Ricafio Castillo Director del CENIDET P r e s e n t e . At'n.: Dr. Dariusz Czwedowicz Jefe del Departamento de Ingeniería Mecánica. P r e s e n t e . Por este conducto, hacemos de BU conocimiento que, después de haber aometidi; a ravi:?.:.i>iiel ci.;. ,' m'ucho mayor necesario para bombear una masa igual d e liquido. A que el continuacibn se hace un análisis del principio de refrigeración por absorcibn. 2.11 PRINCIPIOS Y ANTECEDENTES DE LOS SISTEMAS DE REFRIGERACION POR ABSORCION Las primeras mAquina6 que se usaron para temperaturas se construyeron en'el .siglo X V I I I : logrado por una bomba que temperatura suficientemente permitla baja, y hervir en enfriamiento al tomar energla del medio. un mantener empleaban llquido consecuencia a vaclo una producir cientlfico El bajas William Cullen trabajd con un sistema d e este ti.po. utilizando agua liquido de traba3o. Simultaneamente Faraday descubrio que el tiene la capacidad de el absorber amoniaco. cloruro plata Expuso cantidad de cloruro d e plata e n polvo al amoniaco saturarlo. de como cierta gaseoso hasta La sal cargada d e gas se coloc0 posteriormente e n tubo d e ensaye sellado e n forma d e V invertida, como e n la Fifura 2 . 1 . amoniaco. el cual se se enfrió y condens6 como agente d e remocicin de calor latente sumergiendo del El agua amoniaco Conforme l o s vapores d e amoniaco entraron e n el extremo el de O t r o sirvi0 gaseoso. enfriado se acumularon, como indica la Figura 2 . 1 ¡ A I Esta fue la primera vez que se cambiado del estado gaseoso al observó liquido. la aplicaci6n d e calor y del agua d e curioso, inmediatamente despues hervir, regresando muestra Cuando se aplic6 calor se desprendi6 vapor extremo del tubo e n un recipiente con agua fria. del tubo d e ensaye un nuevamente absorbido otra vez por el polvo muestra en la Figura 2 . 1 1 9 ) . el al de 11 que el amoniaco Una vez que enfriamiento amoniaco estado cloruro se vapor, de eliminó sucedió llquido el plata habl'a algo empezó cual como a fue se -- VAPOR n , , AMONIACO LIOUIDO I VAPOR DE n w AMOfdIACO LIOUIDO e POLVO DE CLORURO DE PLATA Figura 2.1 Experimento de destilaci4n y absorción de Faraday. Cuando Faraday toc4 el extremo contenia amonlaco Ilquido. encontr4 Sin embargo enfriamiento aún 68 sorprendente más del que habla producido por la fue tubo de estaba el ensaye bastante hecho ebullici4n de del sin la presencia de fuente alguna de suministro de calor. Cada vez que Faraday repiti4 el proceso, cambio. Lo novedoso conoisti4 temperaturas bajas en el sin que se alteraran 106 en que fue observ4 posible laboratorio cualquier número el liquido. ingredientes en el tubo de ensaye. 12 frlo. que el de que mismo lograr veces. Posteriormente en el Pistem8 de absorción. Colocó (hido -4-W Siglo en Culfurioo-Agua) XIX un y Carr6 Ediund recipiente oro4 una iotc'la suiiniatr4 le generándooe vapor de HrCOd con agua. que fue almacenado en recipiente oon una vAlvula on su parte superior. Ais16 y enfriar e l primer recipiente temperatura do la merola. para disminuir preai6n la Ihspués abrió la v&lvula y a0 otro do oalor. y otro do36 la iniciri In evaporación del H m 4 enfriando e l iodior el vapor r o l r e s 4 primer y recipiente la completando e l ciclo. Figura 2.2. mezcla Este tipo de inicial sistema se se form6 al nuevamente muestra la on F CONDENWOR 0 II 9 VALVULA €PARADO 1 MEZCLA DE ACID0 SULFURIC0 Y AGUA J ACID0 SULFURIC0 I Figuro 2.2 Sistema intermitente de ~ 9 r I g o r a c i 4 npor absorci6n. Ferdinan Carr4 enoontró un teroor sistema de absorcibn. modificar el de Edaund CarrC usando una mozcla de "9 oisteio opora abaorci6n. Eeta sin alternar formado por 106 procesos cuatro do - Hso. generación dispositivos: condensador. evaporador y absorbedor: AdeiAs tiene dos al Este gonorador. vAlvulas donde se e f e o t m l a expansión dol imonlaco y de la solución en agua, a d como tambidn una bomba que aumenta la presión de soluci6n rioo en aaoniaco. tienen dos zonas. una de En estos sistema. alta presi6n donde y rica la de refrigeración se se eQocthn las v) M * a a, operaciones de generación-condensaci6n y otra donde se E n la siguiente realizan la evaporacl6n-absorcibn: de baja fisicamente encuentran separadas por las válvulas de expansión refrigeracibn. sección se analiza un preai6n. la y sistema se bomba. continuo de 2.1.2SISTEMA CONTINUO DE REFRIGERACION POR ABSORCION un En la Figura 2.3 se muestran sistema continuo amoniaco-agua. de los componentes refrigeracibn esenciales por Es posible observar que un grupo de absorci6n de de dispositivos acoplados substituyen e l compresor utilizado en l o s sistemas de Para analizar el funcionamiento de este sistema continuo de refrigeracibn por compresibn. absorci6n, se empezará por el Condensador de amoniaco encuentra que los siguientes procesos son l o s mismos en 1. que en Se un sistema de compresibn: la condensacibn del vapor desde 1 hasta 2. estrangulamiento hasta una presibn más baja de 2 a proceso de e v a p o r a c i h en el espacio a refrigerar de 3 a Despues de salir del evaporador . . vapor el 4, Y el en un 3 4. entra absorbedor. Como el agua disuelve el amoniaco. e l agua absorbedor absor,be el amoniaco proveniente del evaporador. proceso de absorcibn libera calor, P A S . latente de NHa absorbido. Es necesario aclarar que una amoniaco se llama Ilquido fuerte: una débi I. que incluye solucibn soluci6n el calor generador. un cambiador de calor En este último se calíenta de el 6 a liquido entonces desprende amoniaco en forma de vapor. 7 . de liquido El llquido fuerte e s bombeado desde el absorbedor. 5. 6. a traves de El concentrada diluida hasta hasta fuerte. En el estado rectificador. la cantidad de agua en una mezcla en equilibrio vapores. de agua y de amoniaco es relativamente del pequeña. el que del de pero tiene que eliminarse para evitar s u congelacidn en el evaporador. Por tanto, en el rectificador. los vapores pasan por una 14 columna rectificadora, que separa el agua ( A ) que pudiera existir soiucibn conoentrada de amoniaco. El vapor de amoniaco condensador en I , desde donde este ciclo se repite. nuevamente el generador, . 6 obsorva que el proceso de del amoniaco deja una eolucibn ddbll ( A i . Esta luogo dosde 0 1 generador, a tra-s dol pasa la al Considerando obullici6n solucibn cambiador on de retorna oalor. ai absorbodor. dondo ab8orbo amoniaco numvaimnto. E8te oimbisdot d o hacia el absorbedor y para calentar la fuerte en eu paso calor sirve para enfrlar la soiuci6n dCbi1 su durante 6OlUCi6n hacia el generador, y de este modo ahorrar calor en el y reducir el calor rechazado en el absorbedor. retorno genorador O Figura 2.3 Sistema continuo de retrigeracibn por absorcibn. El coeticiente de rendimiento para e o t e tipo de ciclo se puede definir como la relacibn entre la cantidad d e calor extraldo en el evaporador y el calor transmitido al genorador; o 15 si la energla para accionar las bombas denominador se incrementa en la cantidad se sea, el factor de rendimiento, i res: Donde de toma en estos cuenta, trabajos. W puede incluir los trabajos de bombeo de una posible del factor o mAs o d e las bombas, de acuerdo con la exactitud deseada. E l valor más alto el rendimiento de se obtiene utilizando ciclos reversibles, con la ecuación siguiente: Donde Tar e s la temperatura suministra calor en el generador, constante en e l evaporador y To e s la medio ambiente. constante TEV es a temperatura la cual se temperatura la promedio del 2.2 CARACTERISTICA DE LOS REFRIGERANTS Se logra bajar la temperatura de un sistema de refrigeración por medio de un refrigerante. Para 'el hombre son conocidos muchos refrigerantes. De hecho cualquier llquido una temperatura en alguna parte cercana al punto del agua puede enfriar y preservar los alimentos. que de hierva a congelacidn Sin embargo. un punto de ebullición por debajo del que se forma e l hielo no es por si mismo el único aspecto que origina un buen refrigerante. Un refrigerante propiedades químicas, es necesarío flsicas y econbmico y al mismo tiempo seguro. factores principales que que cumpla termodinámicas el propiedades lo funcionamiento hagan son los un Garantizar propiedades flaicas y termodinámicas adecuadas al Las caracterlsticas ideales d e un refrigerante son: 11 otras de sistema d e refrígeracibn. determinan Estas que con rango de operacidn. 16 2) Termica y qulmicamente estable. 3, Seguro* no flamable, no detectar en fugas. 4) tbxico. no fr&ii ~ e x p ~ o s , v oy Disponibilidad y bajo Costo. Compatible con 1 0 s materiales de construcci6n lubricante8 usad06 en io6 di6poiitivos de refrigerscibn. 5 ) Hasta el momento no se ha encontrado un que cumpla con los requisito6 anteriores. El criterio refrigerante t i e n e . que 86 inicial para la los y refrigerante selecci6n del crltica del . ideal fluido el especificar l o s I1m:ites tbrmicos en los cuales trabajar. La temperatura refrigerante tendrá que ser bastante mayor que De igual mAxima de trabajo en el sistema. forma, la el fluido temperatura punto de determina la congelaci6n del refrigerante tiene que ser suficientemente que la temperatura minima en el sistema. La presi6n de vapor del fluido refrigerante presibn desarrollada e n el condenoador y e l evaporador condiciones de operaci6n. mode'rsdas con de el objeto Se de tiene utilizar que operar materíales construcci6n y equipos normales. reduciendo con tamaño. el peso y el costo del equipo. l o a menor bajo la6 presiones ligeros anterior de el P o r otro lado, la presion en el evaporador tendrá que estar por arriba de la atmosferica vaclo requiere el uso de equipo voluminoso y se1106 especiales. El operar bajo para evitar la entrada de aire dentro del equipo. El fluido refrigerante ideal tendra una presi6n de condensacibn relativamente baja, lo cual implica un valor bajo de la r a z h c o m p r e s i h . presi6n de condensaciónipresión de evaporation. El trabajar con valores bajos de la resulta en u n consumo menor de potencia volumetrica. capacidad reducidos. Este último punto e s pequeña, ya El calor latente de tiene que ser lo más operaci6n del sistema. que una y importante permite vaporizaci6n grande raz6n uso el posible del a de alta en de fluido la6 compresi6n eficiencia sistemas compresores refrigerante bar. que ser menor que la temperatura de evaporacibn para que el 17 con condiciones El punto de ebullici6n. a u n de de tiene lado d e baja PreSidn opere a r r i b a de la pres 6 n atmosferica as1 la entrada de aire o humedad dentro del sistema. La capacidad calorlfica del refrigerante f l u do tiene que ser lo mas baja posible y la vapor del respectivamente. reducir y efecto el de efecto con caidas de p r e s i ó n dentro del sistema. La conductividad termica del fin el fluido alta de sobrecalentamiento El fluido de trabajo tiene que garantizar valores viscosidad y tensidn superficial, liquido más lo posible y a que ambos valores tienden a incrementar el subenfiramiento evitando de bajos reducir refrigerante de la6 tanto liquido como vapor tiene que ser a l t a con el f i n de favorecer transferencia de calor en los intercambiadores. la 2.2.1 AMONIACO E n la actualidad hidrocarburos fluidos de 106 refrigerante6 mAs halogenados, trabajo que refrigeracibn mas comunes. a causa de que la energla compresor de los equipos freones, se utilizan tdxico. en que son los sistemas de éstos los son los Estos sistemas son l o s de compresibn. electrica comerciales. casi en cualquier poblacibn. AI dado utilizados requerida se para encuentra operar el disponible amoniaco se le conoce como refrigerantes R - 7 1 7 , aunque e s flamable y explosivo . bajo . ciertas condiciones. propiedades termicas l o hacen insustituible en plantas de sus hielo. plantas empacadoras y grandes bodegas frigorlficas en ebulliciCn a presífin presiones cuenta con personal capacitado. operacidn moderadas. atmosférica El amoniaco tiene de -33.34OC y un donde punto Aunque el amoniaco n o es corrosivo a se de de todos los metales comunes. en presencia de humedad corroe a l o a metales no ferrosos tales como el cobre y sus aleaciones. E n los sistemas de refrigeración por temperaturas el amoniaco se sigue absorción utilizando. a para causa de bajas sus excelentes' propiedades termicas y afinidad en la absorcibn Con el agua. 18 2.2.2MEZCLAS REFRIGERANTE-ABSORBENTE Para se Iecc i onar refrigerante-absorbente a la mozc I a utilizar en los adecuada sistemas refrigeracibn por absorci6n. generalmente se sigue el criterio: el absorbente tiene q u e garantizar una fuerte por e l vapor refrigerante; tienen q u e ser tanto mutuamente absorbente solubles en como rango el condiciones d e operacidn: ademls d e 6er seguros. corrosivos, tanto separados como combinados. absorbente tiene que ser muy baja. de tal refrigerante contenga poco o nada afinidad refrigerante deseado La volatllidad absorbente de de siguiente estables manera do que a1 el salir de y no del vapor del generador; l a s presiones de trabajo tienen que ser razonablemente bajas y d e preferencia cercanas a la presión mlnimizar el peso del equipo y las fugas. atmosferica. El calor vaporización del refrigerante tiene q u e ser alto. refrigerante requerido sea mlnimo. Algunas combinaciones utilizadas son las 31 Amoniaco-Tocianato combinaciones temperaturas para los (abajo d e l Sodio de sistemas punto de amoniaco-agua es el más común. íNH9 de slguientes: HZO absorcien congelación baiañ de agua) del el 1) LIBr) estas - De -NaSCNi. El amoniaco e s el refrigerante y el agua e6 de De modo que el Amoniaco-Agua íNH3 - H z O ) . 2 ) Agua-Bromuro de Litio í y latente para el absorbente. alto calor latente d e Esta es la mezcla más empleada, por el vaporización por unidad de masa que iiene el amoniaco. Ademáh que el agua tiene gran afinidad por e1 vapor d e dos son mutuamente condiciones. Ambos solubles fluidos en son un rango altamente compatibles con casi todos los tipo6 d e acero. amoniaco muy de 'y 60n amoniaco llgeramente tdxico. muy irritante, algo operacibn son relativamente altas. El agua ea volátil. limitando su empleo en aire 106 ampllo estables El y e6 inflamable. explosivo. S u s presione6 de acondicionado. implica adaptar equipo adicional para la eliminación obtener amoniaco puro. 19 de lo cual agua y 2.3COLECTORES SOLARES €1 Sistema de rmfrigeraci6n por absorc16n. d r s c r i t o en secc!ones anteriores, utiliza calor para generar fria. fuentes d e calor comuniente utilizadas son las siguientes: a ) Calderas. por Combustidn. Vapor b) o agua caliente. utilizando industrial para trabajo de proceso. en una c ) Calor de desperdicio. recuperado de los gases Las planta de de motores o turbina de gas. las escape d ) Vapor del escape de una turbina de vapor. e ) Vapor geotérmico. f ) Otros medios afines. Desfavorablemente p a r a la regi6n donde se requlere el Sistema de refrigeracibn por vista práctico, técnico, absorcidn. econ6nico desde natural, y anteriormente señalados resultan ser Inapropiadoa. Actualmente existen sistemas f l u i d 0 6 a base energla solar. el u60 de equipos de absorcion que usan se instalar punto el 106 para de medios calentar Esto ha causado un gran interhs en como parte de 106 mbtodos de conservacidn de energla. además que la energla solar se encuentra d1,sponible en todo el pals, no cuesta. es limpia y no Se considerá la energla solar como caudal, a mayor superficie evidentemente mayor flujo recogido. ocurre con los colectores solares. cascada infinita Si se intenta interceptar se tendrá de captaci6n. cayendo sobre la euperficie terrestre. su una contamina. Esto es precisamente lo que Lo6 colectores son. en una instalacibn solar. el equivalente a la caldera, en una convencional: e6 decir, calienta el fluido. el Este circula por todo e l dispositivo colector, por simple contacto. el calor del s o l que quedo atrapado superficie de absorcidn. 'Existen actualmente cuatro tipos básicos energía solar: 10s planos. 10s de concentraci6n de que tomando en la colectores de los de Existen variantes en los diseños de l o s distintos tipos. lo concentracidn puntual y l o s especiales. 20 lineal, que Proporciona una variada gama de productos en mercado. Cada uno de estos tienen sus ventajas y desventajas que los hacen adecuados s ó l o para ciertos usos. Es colectores de placa plana pueden tener selectiva; la placa puede construirse dos, inherentes, decir, una ninguna o no cubierta transparente; la superficie que absorbe puede o cobre, de 10s ser aluminio fierro. y s e r lisa. acanalada o tener forma de aletas, etcdtera. D e manera muy general, colectores los de energla pueden dividirse en concentradores y no concentradores. primero s e concentra la radiaci6n solar por medios En o solar los dpticos. lentes o espejos. antes de convertirla en energía t&rmica..lo que permite obtener temperaturas más altas en el dispositivo donde se recibe la radiaci6n concentrada, llamado receptor. Tienen el pmqueña o inconveniente de utilizar únicamente el componente directo de radiacibn solar. practicamente nula. que en ocasiones llega a ser P o r esta r a z h los concentradores mecanismos que l o s orienten en movimiento aparente del s o l . forma En esta canales y los platos parabólicos. continua clase requieren para se la seguir incluyen el los Los colectores no concentradores utilizan tanto la radiacidn directa como la difusa por y. estacionarios durante la operación. de placa plana. El componente general, lo A permanecen esta cla6e permanecen principal de este los tipo de colectores es una placa, generalmente metálica, plana corrugada o acanalada, cuya funci6n es absorber la radiaci6n solar que inclde sobre ella y transformarla en calor. E n su versi6n m A s común, la placa plana se une termicamente a duct06 que varían en arreglo y área seccional; su objetivo es placa metálica se permitir el paso de un fluido, ya 6ea líquido o gas, la energía termica del colector. Sobre la que extrae colocan una o varias cubiertas transparentes que permiten el paso de la radiaciOn solar y disminuyen las perdidas t&rmicas parte anterior del colector. L a s perdldas termicas en posterior se evitan con una capa de aislante t6rmico. neto útil que puede obtenerse por unidad de área de de este tipo, esta dado por el balance entre un la la El por la parte calor colector radiacidn absorbida por el colector y la energá perdida en diversas formas. La temperatura de operacibn de un colector de placa plana alrededor de los 100°C. y llega a alcanzar de 15OoC, dependiendo de las flujo dentro del colector. Se han propuesto y solares, que pueden clasificarse compuestos y tipos del y de colectores Entre ellos 8e encuentran como los estanques solares, los colectores parabblicos climatolbgicas otros diferentes intervalos de temperatura. colectores temperaturas condiclones construido oscila máximas especiales; de tubos otros. En operan en evacuados. el 106 presente proyecto se consideran colectores solares de tubos evacuados. +Colector de tubos evacuados. y si tenemos un colector solar no concentrador de placa producimos un vaclo parcial alrededor de esta plana placa de y la placa retendrá más su calor, a este colector se le llama de absorción, las pérdidas por conveccibn y conducción se tub06 evacuados. Lo6 colectores solares más eficaces de disponen actualmente son tubos de vacio de vidrio. reduciran q'ue por interior contiene un conducto con u n revestimiento. que lleva fluido. E n el capltulo 4 . se cuyo un figura 4.1, se muestra la configuracien bdsica de un colector solar de tubo evacuado. E n estos colectores, a causa de su mayor eficiencia, la superficie de capataci6n necesaria es menor que en l o s coiectores de placa plana comunes. Esta caracterlstica los . hace especialmente indicados en ciertos ca6os. por ejemplo, cua.nd0 plantea la necesidad de existentes. en l o s cuales pane I e6. a instalaciones veces 22 falta solares en superficie Se edificio6 para los 2.4 DESCRIPCION DE UN SISTEMA D€ REFRIOERACION POR ABSORCloN OPERAHX) CON M R G I A SOCAR. E l uso de energia solar como fuente directa operar un sistema de refrigeracidn por de absorción calor tiene para el inconveniente de suministrar calor en forma variable. ya que variaciones naturales significa a su vez. que en niveles los las de temperaturas en radiacidn, las que lo generador el no pueden mantenerse constantes y resultan en un flujo' variable ' d e refrigerante. Es evidente tambidn que generador el va a .funcionar solamente durante las horas de insolacldn efectivas del dia. Esta cantidad de horas depende de la zona donde se el sistema. Para la region donde se requiere instalar e l d e refrigeracidn solar', del presente proyecto, horas aproximadas satisfacer la de demanda insolacidn de efectivas, refrigeracion es hetale equipo consideran se siendo necesario que que 6 para el sistema opere durante dieciocho horas continuas: esta restriccidn nos obliga a que el refrigerante necesario para operar las dieciocho horas sea generado en las seis horas de insolacidn efectivas y almacenarlo en un depdsito de condensado. A continuación se realiza una descripcidn de todo el sistema. 2.4.1 COLECCION SOLAR En este proyecto se utilizaran colectores concentradores de placa plana con tubos evacuados, en la figura 2.4 con e l numero i l l . los cuales solares no calientan un representados fluido, aceite en este caso particular. medio por el cual se transfiere calor al generador. (A) le El aceite caliente sale d e los colectores ( 1 1 por la llnea y entra al generador 121 tambien por esta. AI circular el aceite por el generador transfiere calor y disminuye temperatura. El aceite sale del generador por la Ilnea o temperatura relativamente baJa (90-100 C l entrando \r colectrores solares i l l . Este aceite proveniente 23 del ( A ' ) a su a IO6 generador 1. COL~CTOR~s S oLmrs s. SECARADOR-RCCTICICADOR 4. 5. 2. 14. ALYACLN DL ALYACCN S í . VALVULA AUXILIAR DC R L I R I O C R A N T C LO. INTLRCAY.IADOR DL POR CALOR A.P QUE= CALOR a r c H . POR EVACORADOR QAD= CALOR RCCH MEZCLADOR A.60RBEDOR Pco= CALOR S U Y X N AL R L c H . POR DC F X P A N S I O N POLE CALOR roa DLDIL LVACORADOR MCECLADOR A.SOR.CDOR OLNCRADOR CONDENSADOR Figura 2.4 Diagrama d e l 616teea de refrigeración por ab6orCí6n o p e r a n d o con energla 6olar. 24 PUL.TL OOLNS SOLUCION QCVE L N F R I ADOR VALVULA e. COLUCXON CONDENSADOR 7. 10. DL 8OY.A 6. e. 1 1 . ALMACLN LZ. OENERADOR empieza a calentarse dentro de los colectores hasta llegar. a la temperatura de operacion (115-120 O C ) . ES importante recordar que el proceso de coleccidn solar en el limitado en tiempo. esto es, 6610 se presente proyeoto est& efectóa durante IPS de .alta presión tiene horas d e insolacion efectivas. eefs 24.2 GEERACION DE REFRIGERANTE E l generador situado al lado función de calentar la soluci6n de agua amoniaco ísoluci6n fuerte), hasta una con alto tal La fuente de energla que transfiere calor al generador línea (11. La solución (2). (A1,proveníente fuerte entra (E') procedente del intercambiador de soluciones por de evaporaci6n ser el suficiente calor suministrado, alcanzar la entra QCE, temperatura al tiene de aproximadamente a 14 atm de presión. generador para el calentamiento dicho El de del para 100-1osoc. punto, en acelte utilizado la la (3); el separador-rectificador que de La (131. soluoí6n fuerte es calentada hasta el punto amoniaco y enseguida el que, amoniaco se desprenda d e la soluci6n en forma de vapor. los colectores solares de contenido temperatura es el aceite caliente que entra por la linea la soluci6n fuerte el es regresado a los colectores solares por la llnea (A'], para elevar de nuevo su temperatura y poder reutilizarlo. 24.3 SEPARACION Y RECTIFICACION El separador rectificador ubicado en el lado de alta presi6n del sistema tiene la funci6n de separar el vapor de la solucidn de agua con bajo contenido de Es de gran importancia que esta de vapor de amoniaco dbbil), y eliminar la humedad, al máximo posible, amoniaco. amoniaco del última (solución funcidn cumpla eficientemente. pues de n o ser así, al condensar el de amoniaco con alto contenido de humedad 25 se obtendrá la vapor amoniaco liquido (refrigerante) con agua. el cual, reducir& su capacidad enfriamiento. 01 entrar al evaporador La SOlUCi6n d é b i l junto con el vapor de amonlaco. expulsados del generador 1 2 ) . entran al separador-rectificador (3). en donde la soluci6n débil es separada y soluciones 113). rectificador, donde El vapor diriglda al calor, Pic. de intercambia amoniaco Intercambiador de el de circula con por agua el entra p o r ia línea ( F I y sale por (F' I. Posteriormente el vapor rectificado es enviado al condensador enfriamiento'que L'a 14). humedad extralda del vapor amoniaco de el en rectificador q s dirigida tambien, al igual que la solucibn d e b i l , al intercambiador de soluciones ( 1 3 ) . 2.4.4 COWENSACION El condensador localizado en la región de alta presión tlene la funcI6n de reducir la temperatura del vapor de amoniaco. hasta llegar a u n punto de Ilquido posible. El vapor de amoniaco (31, entra al condensador subenfriado. que (4) sale bajo A I circular el a alta temperatura. temperatura disminuye hasta lograr el cambio de fase de subsiguientemente a líquido subenfriado. originada 6ea como separador-rectificador del vapor de amoniaco por el condensador, la temperatura del amoniaco, es tan por del vapor vapor a Ilquido y La disminucion de el intercambio de calor entre éste y el agua de enfriamiento que entra por l a Ilnea 181. El agua utilizada en el condensador para llevar a intercambio de calor, relativamente alta. procesos sea enfriamiento. sale por la llnea ( 8 ' ) a Es muy común que el agua empleada reutilizada. al disponer de una cabo el temperatura en estos torre El refrigerante (amoniaco Ilquidol obtenldo en condensador, sale de este dipositivo. para ser depositado en de el el El calor cedido en el condensador sea el al medio ambiente o al agua de enfriamiento Pco, seg.2, almacén de refrigerante ( 5 1 . caso, tiene que s e r mayor que e l calor 26 latente de condensación del amoníaco, para lograr su cambio de fase y e l subenfriamiento deseado. 2.4.5 ALMACENAMIENTO DE REFRIGERANTE (Al El aceite caliente s a l e de los colectores 1 1 ) por y entra al generador ( 2 ) tambien por esta. aceite por temperatura. temperatura el generador baja (90-100 o refrigerante situado en relativamente El almacbn de del y calor El aceite sale del generador por l a colectrores solares ( 1 ) . presión transfiere Al sistema. como el su disminuye Ilnee entrando Cl linea circular Este aceite proveniente tiene la del el lado objetivo ( A ' ) a a I os de alta generador almacenar el refrigerante que s e r á utilizado para operar el equipo durante un E n la Sección 2.2 se indicó que e l equipo tiempo de generación tiene que operar 18 horas al dla y que el tiempo predeterminado. está restringido a las 6 horas de insolación efectivas. significa que la separación del vapor de amoniaco o requerido para operar las lehoras. se tiene que el amoniaco generar horas y como consecuencia la condeneaci4n se tiene que cabo durante el mismo tiempo, raz4n por la cual es esto en llevar necesario almacenamiento de refrigerante. 6 a el El almacén de refrigerante ( 5 1 es alimentado por la llnea de suministro que proviene del condensador ( 4 ) . El refrigerante expulsado del depósito de almacenamiento en forma controlada. flujo d e refrigerante es controlado por la válvula de ( 7 ) . pero antes de llegar a la vAlvula de expansi4n Cste primero por el enfriador ( 6 1 . es El expansión circula 2.4.6 ENFRIAMIENTO PREVIO DEL REFRIGERANTE LIQUIDO .c El enfriador es u n intercambiador de calor, localizado en el lado de alta presión. cuya función es disminuir del refrigerante Ilquido. que se encuentra 27 en la alta temperatura presi4n. y elevar la temperatura del vapor evaporador a baja presi6n. el objetivo de aumentar la de amoniaco, que abandona el El enfriamiento previo se reali'za con eficiencia de refrigeración evaporador y por tanto de todo el sistema. esto es. que cuanto mas baja sea la temperatura del a en el causa refrigerante. de mayor será la cantidad de calor latente requerido en el evaporador para efectuar la evaporación de este. El refrigerante sale del alrnacen (51 a temperatuda relativamente alta y entra al enfriador ( 6 1 . La presibn alta se mantiene aproximadamente igual en el (enfriador) por el lado del fluido intercambiador caliente frio (vapor de amoniacoi que entra por la llnea ic). baja y calor (refrigerantel. refrigerante al circular por el enfriador, cede calor del evaporador a baja presibn de El al fluido Este mismo proveniente temperatura. vapor de amoniaco sale por la linea IC') a mayor temperatura. refrigerante previamente enfriado que abandona el El intercambiador de calor a presión alta, se dirige a la valvula de expansion (7'1. 2.4.7 VALVULA EXPANSION La válvula de expansibn ubicada entre el evaporador. e s el dispositivo que controla enfriador y el flujo líquido de alta presión tiene que un refrigerante y reduce la presion en el sistema. reducirse El a refrigerante refiigerante llquido de baja presión en las cantidades adecuadas la operación del sistema con la m á x i m a eficiencia. presión del refrigerante reduce a m u y bajas Ilquido. temperaturas. su en punto el caso de el de lograr para AI reducir la ebullicibn del amoniaco se a presibn atrnosferica. 1 atm, el punto de ebullición promedio es de -17.5 OC. La valvula de expansian 171 es alimentada por refrigerante llquido de alta presibn que sale del enfriador Al pasar el refrigerante de alta presión presión del por esta válvula. Ilquido disminuve y el f l u j o e s controlado. 28 el 16). la El flujo controlado de refrigerante llquido a presian baja válvula y se conduce al evaporador 181. sale de la 2.4.8 EVAPORACION el lado d e baja presian del sistema d e refrigeraciún a traves del cual fluye el calor que E l evaporador e8 el dispositivo e n se pretende desechar. E l evaporador extrae el calor d e la regiún que se desea enfriar. esto se lleva a cabo durante la evaporacibn del refrigerante líquido a baja presibn Para cambiar de fase Ilquida a vapor dentro el evaporador. del refrigerante absorbe calor para llegar al punto de llquido saturado (calor sensible] y continua absorbiendo hasta alcanzar el punto d e vapor saturado]. Despues del cambio de fase, dentro del evaporador. el vapor sigue circulando y absorbiendo calor icalor d e sobrecalentamientol. La suma d e los calores anteriormente descritos da como resultado calor d e evaporacibn. PY:. El evaporador I81 extraido p o r el evaporador. es alimentado por el refrigerante d e baja presidn proveniente Dentro del 'evaporador el de la válvula refrigerante sale del evaporador e n forma d e absorbe baja E l mezclador ubicado en la regiún d e baja enfriador 1 6 ) . la línea iC], la cual se 171. calor el El a por vapor liquido expansidn de evaporaci5n. P r v , de la zona de enfriamiento. temperatura el de refrigerante presiún - y conecta con baja el 2.4.9 MEZCLADOR e6 un solucir3n debii y el vapor de amoniaco que sale del enfriador. El dispositivo o un arreglo e n el sistema efecto del mezclador absorbedor. El mezclador en el sistema que presiún. permite facilita la mezclar funcihn ( 9 1 e s alimentado con vapor d e amoniaco por linea i C ' 1 proveniente del enfriador 29 I61 y la del la con soluciún debil por la Ilnea que sale de la válvula auxiliar (15). Dentro del la solución y mezclador entra en contacto el vapor de amoniaco d é b i l . La mezcla reeultante obtenida e n el mezclador desemboaa e n el absorbedor ( 1 0 ) . 2.4.x) ABSORCION El absorbedor localizado en el de lado presión baja del sístema es el componente que tiene como funcidn absorber el vapor de amoníaco no condensado o la mezcla de solucidn ddbil con vapor de amoniaco proveníente del mezclador. La absorción se efectúa a causa de a que al absorbedor entra inicialmente una solución d a b i l cantidad de (ague con poca can idad de amoniacol. la cual, por principios naturales posee la cua idad de absorber amoniaco, formando posteriormente u n compuesto . rico en amoniaco (solución fuerte Al el vapor Ilquido de aaua de igual que en el mezclador al entrar en contacto el vapor de amoniaco con la 60lucidn d é b i l . este cembla de fase, de vapor a liquido y cede calor a circundante; en este caso a diferencia mezclador del vapor se condensa, obteniendo la solución fuerte. El absorbedor (101 es alimentado por la mezcla vapor de amoníaco no condensado e n el mezclador ( 9 1 . absorbedor se genera calor, PA^. el cual todo el liquida y el Dentro transferido es medio su a del una fuente de en+riamiento a traves del agua que se hace circular por el absorbedor. entrando por la Ilnea a (Dl baja temperatura (generalmente temperatura ambientel y saliendo por la llnea a temperatura relativamente alta. La libera del absorbedor es almacenada en fuerte ( 1 1 ) . 2.4.11 ALMACENAMIENTO DE LA solucidn el fuerte almacan de que (D'I se 60lUCibn SOLUCION FUERTE .El. almecen de la solución fuerte ubicado baja presión del sistema. es el depósito 30 que en se la regi6n utiliza de para almacenar la solución fuerte. Esta solucidn almacenada disposicibn de u n sistema de bombeo para ser transportada intercambiador de calor y posteriormente al generador. La solución fuerte es el compuesto de agua contenido de amoniaco, al cual. e n el generador se le calor para separar el amoniaco d e l agua. separado por otros componentes del a con a un alto transfiere AI circular el amoniaco equipo oe obtiene refrigerante requerido por el sistema de enfriamiento. La soluci6n fuerte procedente del absorbedor ( 1 0 1 el almacen ( 1 1 1 . queda entra el en Posteriormente esta solucidn ea extralda por la bomba ( 1 2 1 . la cual incrementa su p r e s i h . 2.4.Q BOMBEO La bomba extrae la solucibn fuerte almacenamiento que se encuentra a baja presión la comprime. obligando la circulación del de depósito de posteriormente y intercambiador de calor. para introducirla despu6s esta al por un generador con alta presibn ( l a presi6n necesaria para que la solución fuerte logre entrar al generador]. La cantidad de energla Suministrada a la bomba para comprimir la solucibn fuerte comparada con la cantidad de energla que se tIene que suministrar a la bomba o compresor de u n sistema de refrigeracibn mecánico es sistema relativamente más pequeña. Esto es a causa de que en el de absorción el componente a comprimir es un fuerte1 y en el oietema mecánico es un vapor que Ilquido La bomba 1 1 2 ) succiona la solución fuerte del se encuentra a baja presión y enseguida (solucibn almacCn la 1111 comprime forzándola a pasar por el intercambiador de soluciones 1131. 2.4.13 INTERCAMBIADOR DE SOLUCIONS El intercambiador d e soluciones calor localizado en el lado d e alta es un presibn intercambiador del sistema, de este *i*Positivo tiene como funcibn elevar la temperatura de soluci6n fuerte que posteriormente entrará al generador, é s t a . puede considerar como una acción de precalentado. la SB Este precalentamiento. cuanto mayor sea es m e j o r para e l sistema. esto n entra a es a causa de que si la ~ 0 l ~ c i 6fuerte una relativamente alta al generador. la cantidad de requerirá suministrar para separar el temperatura energia amoniaco que se de la solucion entre la soluci6n será mucho menor y como consecuencia aumentará la eficlencia El intercambio de calor se efecttia sistema. fuerte proveniente del sistema de bombeo, frlo, y la solucibn d é b i l que sale caliente. Se puede observar que e l del actuando como separador. intercambiador de del mismo modo cumple con la función de bajar la la soluci6n d é b i l que sale del separador. menor Para ( 1 3 ) por la llnea al alta y temperatura relativamente baja. se eleva la temperatura de la soluci6n ~~luciones temperatura aumenta bomba de es débil de sea su soluciones a (121 presibn Dentro del intercambiador fuerte posteriormente y sale por la linea (E') para entrar al generador 1 2 1 . d é b i l que sale del separador ( 3 ) a fluido sistema intercambiador ( E l que procede de la como el capacidad para absorber vapor de amoniaco. La ~ 0 l u c i 6 nfuerte entra fluido temperatura conveniente también que la temperatura de la soluci6n relativamente baja. puesto que a del presibn Y La soluci6n temperatura alta e n t r a al intercambiador de soluciones. lugar donde cede calor a medio circundante; después la soluci6n sale de I intercambiador. con temperatura más baja y alta presibn. para Ser depositada en e l almacén de sOlUciOn d é b i l (14'. 2.4.14 ALMACENAMIENTO DE LA SOLUCION DEBIL El almacen d e la solución d é b i l que se encuentra en el de alta presión del sistema es un depbsito, en el cual lado se almacena la soluci6n d é b i l q u e es expulsada del intercambiador de La solucion soluciones. previamente extraída del separador. débil es e l componente que efectiia 32 la absorcibn del vapor de amoniaco generado en el evaporador. de flujo El sale del almacen tiene que ser controlado para proporciones requeridas amon i aco . de abmorci6n El almacen de la solución dbbil soluci6n es (141 solución cumplir que con las de dóbll-vapor alimentado la por Ilnea de suministro que proviene del intercambiador de soluciones 113). La solución controlada1 por auxiliar ( 1 5 1 . débil la llnea se de del evacúa aalida almacón conoctada (en a la forma válvula 2.4,s VALVULA AUXILIAR La válvula auxiliar e6 el dispositivo que tiene como funci6n controlar el flujo de solución debil que abandona almacenamiento. asl como reducir la presi6n de este fluldo. su Es necesario reducir la presión de la soluoi&n debil antes de entrar al mezclador o al absorbedor. pues de no ser a s l . esta solución a presicin alta invadirla el lado de baja presirín ocasionando que e l equipo de enfriamiento objetivo, ya que el evaporador no del sistema cumpliera inundado dr con su reduce la solución d4bil dlficilmente absorberá calor de la región de enfriamiento. La válvula auxiliar ( 1 5 1 el controla flujo presidn de la solución d C b i l proveniente del almacén posteriormente salir y alimentar e l mezclador (91 débil a baja presión. y (141. con para solución 2.5 EQUIPO AUXILIAR En la sección 2.2 se describió un sistema por absorcibn amoniaco-agua operando con refrigeraci6n de energla solar. cual se analiza el funcionamiento de cada uno de los básicos de dicho sistema. acoplados con otros finalidad optimizer Algunos dispositivos recursos en 33 de estos auxiliares la operación del la componentes componentes que en tienen estAn como sistema y satisfacer la demanda de energla de elementos especificos que requieran. A continuacicin se presenta una dispo6itivos auxiliares de mayor importancia. de descripcicin la los 2.5.1 TORRE DE ENFRIAMIENTO del En la6 secciones 2.2.4 y 2.2.10 se explicci el funcionamiento condensador y absorbedor respectivamente. En ambos componentes se efectria la transferencia de calor con Se auxiliar, que para casos prácticos es agua. una agente recomienda efectos este llquido sea tratado qulmicamente para disminuir los Si el agua empleada para remover de corrosicin dentro del equipo. calor, después de que cumple con medio ambiente sin la intenci6n de gran costo para operaclbn la que su objetivo reutilizarla. del deaechada es sistema; recomienda utilizar torres de enfriamiento. implicarla lo por que al un 68 La t o r r e de enfriamiento cumple con la función de enfriar el agua que se hace circular por su interior, aproximadas a la temperatura de bulbo húmedo del donde se encuentra instalada. a temperaturas medio ambirnte Este dispoaitivo hace posible el agua caliente que sale del condensador, absorbedor afines sea utilizada nuevamente, evitando as1 el recursos materiales. y que equipos desperdicio de 2.5.2 CELDAS FOTOVOCTAICAS En el sistema de refrigeracibn descrito se emplean una serie de bombas hidráulicas. E n la Figura 2.4 se puede identificar bomba 112) ubicada entre el almacén de soluci6n fuerte 1 1 1 ) y intercambiador de soluciones 113). utilizada para la el bombear solución fuerte en el sistema: los equipos interconectados con la torre de enfriamiento requieren también de u n sistema que haga posible la circulación del correspondientes. AI igual que 34 agua otros por los de bombeo dispositivos mecanismos que se .. utilizarán para el control y automatizaci6n sistema. del bombas requieren d e energla e l h t r i c a que puede s e r por celdas fotovoltaicas. las cuales son capaces por 106 energla radiante solar en energla eléctrica. La energla e l k t r i c a requerida estas suministrada convertir de mecanismos antes mencionados es relativamente pequeña. comparada con la refrigeraci6n. sistema d e energla necesaria para operar en su totalidad Es importante indicar que un cantidad sistema el muy grande de dichas celdas, l o que implica un si stems. una alto de elktrica refrigeracidn mecánico operando totalmente con energla suministrada por celdas fotovoltalcas. requiere d e de cantidad costo del 2.5.3 CALENTADOR AUXILIAR En la secci6n 2.4 se indic6 que la energla solar como fuente directa d e calor para operar un sistema de absorci6n tiene el inconveniente de suministrar refrigeracibn calor an por forma variable. a causa d e las variaciones naturales en los niveles radiaci6n. Este fenómeno implica generador no puedan mantenerse variable de refrigerante. que las constantes y temperaturas resulte Para reducir este problema, instalar un calentador de combuetibn en el sistema, un en se de el flujo puede colocándolo entre los colectores solares ( 1 ) y el generador ( 2 ) . de tal forma que cuando temperatura el más fluido baja salga de la de los requerida colectores en el calentador se prenda para elevar la temperatura solares generador, hasta 6ptimo y la mantenga constante. En los dias nublados o el de el punto insolacidn es cuando más se requiere del calentador auxiliar. 35 a baja CAPITUO 3 ANAiISIS TERMODINAMICO DEL SISTEMA En este capltulo se realiza el anilisis termodinimico sistema en forma cuantitativa. Se efecttian los cálculos del que nos indican las caracterlsticas mlnimas que los elementos del sistema tienen que proveer para garantizar la operacidn del mismo. 3.1 BALANCE DE ENERGIA EN EL CUARTO FRIO El balance de energla en el cuarto frlo se realiza con en los datos d e Instituto la6 Nacional cámaras de lndigenista conservaci6n i IN1 i que haciendo , modificaciones en la cunstrucci6n de la cámara y del aislante. El material que se utilizará general, s e r á poliuretano expandido. La cámara de conoervaci4n propiamente la de cuenta conservacidn y la con como dos otra en e6 realizd base el ciertas el rspesor aislante, Areas. una una zona en e6 de maniobras. La zona de maniobras tiene la finalidad de reducir las cargas de calor al abrir la puerta del área de conservacidn. dimeneiones y caracterlsticas de la figura 3.6. cámara se muestran en La6 la Dado que la zona donde se requiere esta cámara no cuenta con energla e l k t r i c a . resulta necesario pensar en la utilizacidn alumbrado con fotoceldas dentro de las cámaras. por el que se tienen que mantener cerradas las puertas. hecho de sea el Es importante mencionar. independientemente de cual modo de enfríar La cámara. que los habitos d e uso de de la misma pueden aumentar o disminuir las ganancias de calor y por tanto su uso eficiente. A continuaci6n se describen una serle 36 de medidas que están enfocadas a lograr un buen funcionamiento. a ) Es necesario que los usuarios planifiquen las entrddas y salidas de la cámara, con el fin de reducir ai iiniio las aberturas de puertas. bl La6 puertas tienen tiempo posible. que permanecer cl No tienen que estar las dos tiempo. dl El número personas de puertas que abiertas el menor abiertas al mismo permanezcan cImara tiene que ser el mlnimo. E n caso hay que procurar que sea solo una persona de el trabajo dentro, y no varios a la v e z . e ) Utilizar alumbrado 6610 el dentro alguien trabajando. dentro puede ser realice cuando resultar la posible quien tiempo necesario Cualquier diseño que se realice de haya inoperante cuando se hace un mal uso del sistema. Las cargas originadas la abertura indiscriminada de puertas y el mantenerlas por abierta8 durante tiempos largos, pueden resultar tan grandes que el equipo no sea capaz de compensarlas. La transmisí6n de calor entre el ambiente es tan importante como la cuarto carga frlo de y medio el refrigeracien generada por el producto almacenado. Para calcular la cantidad de calor que se transferencia gana de en calor, el cuarto apl ícando conduccidn de calor de Fourier. frlo se hace directamente La experiencia demuestra que cuando existe un la uso de ley gradiente temperatura en un cuerpo, hay una transferencia de energla de r e g i 6 n de alta temperatura a la d e baja temperatura. es transferida por conduccibn y la rapidez de La la de de la energla transferencia de energla por unidad de Brea e s proporcional al gradiente normal d e temperatura: q / A d T / d x Se introduce la constante de proporcinalldad coeficiente de la conduccidn tCrmica del material. q = - k A d T / d x 37 k, que (3.11 es el 13.21 en donde q es la rapidez de transferencia de calor y es la variación de la temperatura en la dirección del calor. El signo menos se inserta para que principio de la termodinámica. es decir, el abajo en la escala d e temperatura. Cuando se considera una pared plana satisfaga calor en como el d i / dx flu'jo de fluirA el segundo hacia caso del cuarto en estudio se puede llevar acabo una apllceción directa de la ley de Fourier. Integrando la cuando la conductividad espesor de la pared es Ec.i3.2J térmica A x, y Ti considera se - TZ e6 constante. diferencia la temperaturas entre los medios ambientes de trabajo. El de Si se encuentra preeente m i s de un material el anrlisis procede de la siguiente manera: se muestran las variaciones d e temperatura en escribirse como: q = - k* A los T:-T:/:X~. materialee. = - k= A y el E-TZ/AXZ flujo - kC A de calor TI-T?/iXC Se observa que el flujo de calor es igual a través de puede .. (3.41 todas las secciones. Resolviendo sImultAneamente las tres ecuaclones el flujo de calor se escribe q = Ti iXi./kaA + - T. iXi/kiA + (3.51 iXP/kCA La temperatura es la funcibn de potencla para calor, la ecuacibn de Fourier puede escribirse de forma: Flujo de calor = el la flujo de eiguiente Diferencia de Potencial ibrmico Reeistenca Termica El primer balance de calor se realiza para sin considerar la eeccibn de maniobras. como figura 3.1. 38 se el cuarto mueetra en frlo la 540 n r I 4.50 n 5.00 n 1 Figura 3.1 Las paredes To = 40 Cuarto frío, de . la OC planta. cámara se encuentran contruldas con ladrillo y concreto, la cual e s t a m b ~ e nforrada por su interior 10 cm. En la figura 3 . 2 se muestra un corte la pared con láminas de unicel como aislante. El espesor del de detal le. PARED Acot Figura 3.2 cn Cuarto frío, corte de la pared. 39 de aislante es a .. .,. 1 El techo de la cámara concreto con grava de 10 cm está ..., ,,,,, p*., .. .).. l,. l compueoto por d e espesor y una placa una de de unicel del mismo espesor. En la fig. 3.3 se muestra del techo. loza de aislante un corte TECIIO --1 If 2 *cot Figura 3.3 cn Cuarto frlo. corte del techo. La estructura del piso es similar a la del techo, cuenta con una capa de concreto con grava de 10 cm del mismo espesor. La diferencia entre e l en este último l a placa de aislante y una placa de unicel techo y el piso e6 está que colocada del 1ad.o. construccidn del piso: exterior de la cámara y en el techo el aislante esta colocado por, el interior de la camara. El arreglo ofrece una superficie adecuada de de trabajo en el interior deli cuarto'. En la f i g . 3.4 se muestra un corte del piso de la cámara.'I PISO Figura 3.4 Cuarto frlo. corte d e l piso. 40 La temperatura en el interior del cuarto filo T: es temperatura a la cual se desea mantener este cuarto Tf = ioC. To temperatura ambiente es considerada To temperatura alta promedio de la ambiente regibn. = 4OoC la Aunque La altura de la cámara es h = 2.3 termica de cada material se obtuvo de i41. kr = Conductividad termica del ladrillo kc = Conductividad t@rmica del concreto ku = Conductividad tarmica del unicel = = = mi en La es la temperatura To en la parte del piso es obviamente menor se considera esta misma para efectos de cálculo. que 4OoC. conductividad BTU/h p i e o F: 0.4 0.4 0.021 ko = Conductividad termica del concreto con grava * que la La - 1.05 ANALISIS DEL FLUJO DE CALOR. En la figura 3.5 se pueden observar l o s flujos de calor que se consideran para realizar el balance d e energla del cuarto frlo! g$f; QTo QPL QPO Figura 3.5 Donde P:; = Opt. = Ppo = Pro = Flujos d e calor. Flujo de calor por las paredes cortas 1 5 . 0 0 x 2.3 Flujo de calor por las paredes largas (8.00 m x 2.3 Flujo de calor por el piso ( 5 . 0 0 m x 6.00 ml. Flujo de calor por el techo (5.00 m x 6.00 m ) . 41 ml. nil. El flujo de calor total en el edificio es expresado con ecuaci6n siguiente: por lo que 68 requiere calcular cada uno de los flujo6 antes señalados. - DATOS = (5.0 mii2.3 m i = 11.5 rn kr = kc = 0.4 B T U / h pie OF BTU/h LL = 0.11 = L c = 0.04 m = m = Lu = 0.10 T o = 40DC l0C donde u L 2 y la = 123.74 pie ecuacibn se 3.5 2 BTUih p i e OF 0.4 KLI = 0.021 Tc = calor F L U J O DE CALOR EN LA PARED CORTA Utilizando 10s datos conocidos obtiene la informacicin slguiente: A?C de la. pie OF 0.360 pie 0.131 pie 0.328 pie = 104OF = 33.8OF es el espesor de cada material y 106 subindices L,C y , indican ladrillo. concreto con arena y unicel respectivamente. FORMULA arc = Lc/kc A?c i T + LL/kL + 13.7) Lu/ku substituyendo 10s valores conocido6 en la Ec.i3.7) se tiene arc = (123.74 pie2) (104 FO- 33.8 FO) ií0.131/0.4) + 10.36/0.4) + (0.328/0.0211) 42 h pie' ETU OF arc = 8 686.548 (0.328 + + 0.9 15.61) -@TLL h 515.889 = l u e g o e n t o n c e s el f l u j o d e c a l o r p o r las paredes '(3.~31 arc. cortas. d a d o e n BTU p o r h o r a es c o n o c i d o . - F L U J O DE CALOR EN LA PARED LARGA Se p u e d e o b s e r v a r que l a e s t r u c t u r a d e i d h t i c a a la pared corta. Para fines de large pared la es cAlculo la única d i f e r e n c i a es el á r e a d e f l u j o ; p o r t a n t o l o s d a t o s d e la pared c o r t a se u t i l i z a n nuevamente a e x c e p c i e n d e l área. DATOS A m = i 6.0 m I ( 2.3 q = 13.8 Arr i T J q P = 148 p i e 2 FORMULA Clm. = arL = Lc/kc + 1148.48 p i e ' ) LLíkr. t 1104OF - (3.9) Lu/ku 33.88OF) (10.1312/0.41 + (0.36/0.41 t (0.328/0.021)) 10 423.85 arL = h pie' (0.328 / = 0.9 + 15.6) el f l u j o d e c a l o r e n l a p a r e d 619.,06 a h o r a c o n o c i d o , p o r l o q u e se p r o c e d e a l BTU cálculo F BTU (3.101 slu h l a r g a dado e n o por del hora ee' flujo de c a l o r e n piso y techo. - FLUJO DE CALOR EN EL PISO La e s t r u c t u r a d e l piso, mostrada en la Fig. c o n s t i t u i d a p o r una p l a c a d e c o n c r e t o y una d e u n i c s l . 10 c m d e e s p e s o r . El flu50 de calor c a l c u l a d e l a s i g u i e n t e forma: 43 que circule por 3.4, esta II ambae de 06tas se DATOS Aye = Ka = Ku = = Lu = To = TI = La (5.0 m l ( 6 . 0 ml = 0.021 BTU/ 0.10 = 0.10 m = OC O 1 C 1 322.8 p i e BTU/ h pie OF 1.05 40 X 3 0 mz * h pie OF 0.328 0.328 = 104 = 33.8 O pie pie F F O FORMULA am . " aro = Pro = = A T A La/ k a ( 3 2 2 . 8 pie', 1IO.328/1.051 t + I104 (3.1'1) .Lu/ku O F - 33.8 O F 1 10.328/0.021i) 22 6 6 0 . 5 6 (0.312 t 15.619) = B T W h pie OF BTU/h 1 422.42 El flujo de calor en el piso está dado en (3.12) BTU p o r hora. 6Iguionte pano e6 calcular o1 flujo de calor on el techo. - . * ~.-* ;., .., FLUJO DE CALOR.;$N '~i: .T:EGMO:. Si se observa detalladamente la estructura del techo s e puede concluir que el f l u j o de calor en el piso ea el mismo. por tanto si arc = azo Pro = 1 4 2 2 . 4 2 pi's0 techo se tiene que y El del y el I! BTUíh (3.13) Con esta liltima consideración s e da por conocido el flujo d,e calor en el techo. Obtenidos los valores de los flujos de calor en frígorifica. se puede calcular el flujo total d e calor edificio y el medio ambiente, utilizando la 44 Ec. 13.61. la cámara entre el a1 substitur los valores de los f l u 5 o s de calor Qro se obtiene el siguiente resultado: ars = 2 (515.889) 0- * + 2 (619.06) 5 114.738 + BTU/h 9.0, + I 422.42 QVL, I1 1422.42 (3.14) El flujo de calor total en el edificio estA dado en BTU hora. Si se cambian estas unidades resultado eiguienter a se obtiene 'I por el I/ Qrs = 1 497.63 para fines práctico6 88 considera: QTE este flujo de calor, edificio como región Watts y PIP QTL. de = 1.5 Watts kW se calcul6 considerando enfriamiento. AI principio secoión se especific6 que la cámara de enfriamiento un área de operacibn, por concecuencia la región de se reduce. . todo el de esta I' , contara con enfriamiento ' PUNTA MODIIICADA 'i! k .. '11 .. Figura 3 . 6 Cuarto f r í o modificado. 45 ' , . , :/ p, '.! : : Para efectos de calcular la carga total de refrigeraci4n considera el flujo de calor total modi4icacione8, esto qulere decir que el en area considera region de enfriamiento. el de edificio operacion se sin se 3.2 CARGA DE REFRIOERACION La carga de refrigeration total del sistema es originada por clasifican muchas fuentes de calor. De manera general se síguiente forma: iransmísi6n de calor 11 Es e l flujo de el en calor edificio originado de la por la' techo y diferencia de temperatura entre el aire exterior y la temperatura del cuarto frlo. así como e l efecto del sobre sol paredes. 2 ) Cargas de los productos Esta carga es originada por el calor el contenido dentro /I deli1 producto que se almacena. En el caso particular de este proyecto transfiere en el proceso de enfriamiento. desde que producto'! se considera e l caso de calor sensible. esto es. el calor que se encuentra a temperatura conservaci4n del cuarto frío. 31 ambiente hasta Infiltraci4n de aire El aire que entra al cuarto como un la a traves luce8 de abrir de las de conetrucci4n o por l o s sellos de las puertas. 41 temperatura resultado cerrar las puertas durante el trabajo normal. El aire que entra al cuarto el se grietas y de Cargas suplementarías Las cargas suplementarias causadas por cosas tales como electricas. motores. producen las personas. herramientas y tambien las Conclentes de las principales cargas que intervienen en Proceso de refrigeracibn se procede a calcular la carga total refrigeraci4n en ecuaci4n se tiene: sistema. Expresando la carga 'otai en 16s que ei de .-a 46 I1 13.151 Donde PCV = Q T ~= = PCP PIA = Pcs = Carga total de refrigeracibn o calor de evaporizacibn. Carga total en el edificio itranoiisibn de calor). 'I Carga del producto. Carga por infiltraci6n d e aire. Cargas sup~eoentariae. li La carga total en el edificio P+r fue calculada en la seccidn anterior i 3 . 1 1 . por lo que se procede a calcular la carga1 del producto acr. E l calor necesario para reducir la temperatura pescado del 3S°C a l°C se puede calcular conociendo la siguienteI1 informacibn: el sistema tendrA que 6er capaz de conservar como de máximo 200 k g de pescado por die. las propiedades del pescado se obtienen producto6 alimenticios Copeland parte 3 C211. PRODUCTO: 11 del de Pescado congelado la manual tabla de 31 Calor especifico 70 101 DATOS M = cp = To = Tf = 200 kg = 40 1 440.91 Ib B T U / l b OF OC = 104 OF 0.76 O C = refrigeraci6n 28OF x ai Arriba d I punto de congelaci6n bi Abajo de punto de congelaci6n 41 Calor latente de fusibn caracterlsticas 33.8 OF 47 BTU/lb 0.76 0.41 1 - 2 . 2 OC) BTU/lb de Gi I vert pescado en h i e l o . o Temperatura promedio de congelacien 21 Porcentaje de agua de termodinámicas O BTU/lb OF F FORMULA Donde p = p = Cp = AT AT Cp La cantidad d e calor necesario para reducir la del producto, desde M M = TI hasta temperatura T!. La cantidad d e producto a refrigerar por día. Calor especlfico del producto (arriba del punto d e congelación). La diferencia d e temperaturas = substituyendo e n la Ec.iJ.161 QCP I1 To- Ti. se obtiene I' = (440.91) ( 0 . 7 6 1 I104 - 33.81 PCP = 23 523.80 BTb (3.17) BTU Ahora se sabe que para reducir la temperatura d e 2 0 0 kg pescado en hielo, desde una temperatura relativamente alta 104 OF a una temperatura relativamente baja T! = 33.8 o To F. de = se 23 523.80 BTU d e calor. Si se expresa esta cantidad de calor en kW-h utilizando la relacifin requiere extraer del producto siguiente: 1 se obtiene, Watt-h = 3.415 BTU PCP = 6 892.4 Watt-h PCP 6.9 = kW-h (3.18) E l paso a seguir e s realizar un analisis sobre la PIA refrigeraciin originada por la infiltraciin d e aire el equipo suplementario Pcs. Cualquier aire exterior que tiene que ser provocando asi reducido un a la incremento entra al temperatura en la carga espacio de de carga y de por refrigerado almacenamiento. refrigeración. A d e m á s , si el contenido de humedad del aire que entra e s superior al del espacio refrigerado, el exceso de humedad se condensará el calor latente ref r i ge'rac i On. de condensacifin 40 se aiiadira a la carga y de I A causa de las muchas. variable6 envueltas. calcular el valor adicional ganado por la i n f i l t r a c i b n El tránsito adentro y afuera del refrigerador es dificil d e ' aire. usualmente varia con su tamaño y volumen. P o r consiguiente. el numero de veces que la6 puertas 68 abren. relacionan al volumen mas 663 número de puertas. Algunos ingenieros se infiltraci6n: estimar la basan este en metodo el cambio se promedio de cambios de aire en un periodo de es un refrigerador relativamente pequeño y el numero d e veces aire e6 considerada dentro que de las la de 69 contara con 81 número 'I comparado de este volumen in+iltracien seguridad Q e . gran !I para puertas enfriamiento, al igual que las cargas suplementarias que dentro del cuarto frlo no el particular rango del en industrial abriran sera mlnimo. la carga originada por aire 24 horas con el volumen del refrigerador. En el caso proyecto, dado que de basa que bien 1 se de de puesto cantidad de equipo suplementario. Por consiguiente. utilizando la Ec.i3.15i y ! las consideraciones antes descritas. se puede calcular la carga total de refrigeraci6n. DATOS QtE = QCP = üiA 'I 1.5 kW y 6.9 kW--h 9CS 69 enfriamiento. 1; conslderan dentro del rango de de la carga total. Referencia i 3 1 . 10 X Expresando la carga orlginada por el producto tal que en obtiene: 9cP 18 horas de operaci6n este / 18 h P o r tanto la = seguridad 6.9 kW-h / 18 h carga total de = I arc + calcula d e la forma siguiente: QEV 68 = acr. de forma encuentre a 0 , 3 8 3 kW refrigeracien de ioc. ee 63.19' por hora se g c r ) 11.10) 49 !i Qrv = í 1.5 QEV 0.383 k W i + kW = 2.0 I/ (1.10) (3.20) kW La carga total de refrigeracíbn o calor d e evaporacibn es parte de la informaci6n básica para sistema de refrlgerací6n. realizar el diseno Qcv del 1 3.3 TERMODINAMICA DEL SISTEMA A continuacíbn se realiza caracterlsticos del sistema. un listado de los datos, - DATOS DE DISERO Qry = 2 kW TEv = - 10 de la tabla C O = 14 OF 3.3 Propieda'des del amonlaco saturado, seccibn C41, se obtuvo la siguiente Informacibn a la temperatura 14 OF PPV = hi = hfg = hg = Donde: í -10 OC I . 42.18 58 Ib/plg 2 BTU/lb 557.9 616.1 = 2.87 atm BTUilb B'TUhb Qrv = Calor de evaporaci4n. PSV Presibn en TEV = hf = hig = hg = Temperatura de evaporacibn. el evaporador ipresibn bala del &istema$ Entalpla del amoniaco saturado. en fase Ilquida. E n t a l p l a del amoniaco saturado. Ilquido-vapor. Entaipla del amoniaco saturado. en fase gaseosa. 50 4 34 TF = 3.3.1 MASA TOTAL DEL AMONIACO La masa del total refrigerante, a la m ihg - mantener la cámara frigorlflca que se temperatura requiere para operacI6n de deseada, es posible calcularla con la relaci6n eiguiente: Qrv despejando el flujo másico m (3.211 hf) se tlene q arv = ( hg - (3.221 hi ) substltuyendo valores m = 2 kW (557.9 BTU/lbl(1/0.4536 I b / k g l i /3415 kW-h/BTUl = m 5.553 kgih (3.23, Conociendo la cantidad de amoniaco que se requiere en e l evaporador por hora y concientes diseRado para operar 18 horas de diarlas. que se el puede circular equipo conocer serA la cantidad de amoniaco total necesaria para la operaclón dlaria del sistema. M = M para el dieeRo = de refrigerante por día 99.95 eete kgihi (18 h l 15.553 kg 100 * eistema i18 horasi. se II kg (3.24) consideran 100 kg de 3.3.2 PROPIEDADES rrxMooiNAMiCAS, SüLüC?ONFllopTr Las propiedades termodinámicas de la mezcla en el almacen de la 6OlUCíbn fuerte se pueden conocer utilizando 51 un diagrama de entalpía-concentracibn apéndice. E n el de capitulo amoníaco-sgua. 2 sección ver fígura descrfbe se 2.4.11 2 del la ubicación y función del almaccbn de solucIón fuerte. El aliac6n de esta solución se encuentra ubicado en la r e g i ó n de baja presión temperatura de la mezcla e6 considerada cual es del Sistema P r V = 2.87 atm temperatura promedio (obtenida en la seccibn supuesta ambiente en la región donde la conocimiento de estas dos que 34OC. depende torre propiedades de es concentración de la mezcla en el punto de la figure 2 del a p h d i c e . de la la 3.3) saturación la una temperatura enfriamiento. factible y con obtener 1 el la utilizando C U S V U YI*ILIARES I O >n baja del J = Constante de Joule 426.8 kgf m/kcal. Pz sistema. = Presión alta del sistema. 04 siguiente. (3.781 f = 34 OC X = 0.42 m = - Wao 4 160.21 k g l h P a = 2.87 atm Figura 3.27 BOMBA T = 34 OC X = 0.42 160.21 k g / h = Px = 13.14 atm Trabajo de bomba. Dado que e l volumen especlfico es e l inverso de la y la densidad de la soluc,ión dCIbil se puede obtener de la densidad figura 3 del apbndlce. con base en la concentración y temperatura de mlsma, e l volumen especifico de por: como = 885 k g / m B soluci6n queda determinado 13.79) l / p v = = 0 . 9 1 <= 0.12 Presi6n máxima de operaci4n I kgf/cm2) : Material de conexidn y dimensibn: Material de 106 componentes: 92 I, . .~ .. .. 5 cobre. 22.3 diam. - Plato de absorcibn: hoja de acero con recubrimiento - Tubo colector: sei ec t i vo. tuberia de cobre - Tubo de vidrio 128fdiam.)x2 le6peSOr) Soda-I ime í ski vidrio imml: - Cubierta metalica: - hoja de acero galvanizada pre-tratada con Acid0 fosf6rico y pintado con acrllico Aislamientos 50 (espesor) fibra de vidrio Cabezales i m m ) : vacio Plato de abso.rci6n: 1c Características de transmitancia del vidrio Suntube. usa tubos de alta absorbente con una capa selectiva de transmitancia longitud de y un onda objetivo de lograr una coleccibn de energía eficiente. plato con el Figura 4.3 Vidrio del tubo evacuado, transmitancia. En la figura 4.3 se muestra una grafica de características de transmitancia del vidrio constituyente de tubos evacuados Suntube Longitud de (transmittance). onda Esta Electric Glass Co., L t d . (Glass Transmittance las los Characteristics), (wavelength) contra transmi tancia grafica fue proporcionada por Nippon 93 Plato de abaorci6n con capa 6elOctiVa. it La capa especial usad8 10s en tubo6 coiwctoreb permite que estos tengan una alta raz6n de abeorci6n y de emisi6n. esto se muestra en la tabla siguientm. Absorci6n ( a ) 0.91 imlnimo) Resitencia i°Cl 450 soiarws una baja 0.12 imáximo) Emitancia ( e ) Tabla 4.1 Propiedades de colecci6n solar, Suntube. Desde que el sellado en sus plato extremos. absorbente Bate lluvia, humedad. aire y o ' t r o s ea se encuentra completamente elementos dañinoa. vacio en protegido Y de efectivamente previniendo la durací6n larga de sus caracterlstica8 de colecci4n de energla radiante. * Vacío del tubo. Otro de los factores que proporcionan colector aolar Suntube es el vacio I de coieccibn. La tecnologii Qnica vidrio-metal. mantiene Un de eficiencia < 10'4torr sellado 426. que se asegure u n sello ajustado con de choques tBrmico8 y ciclos de calor. mue6tra ur diagrama con virtualmente el temperatura la medía irradiacibn. de opereci6n la temperatura del fuldo de diagrama se puede observar er la referencia t161 94 e' por lo características cual deterrnianr la eficiencia del colector solar. Suntube e n funcí6n de tubo directo utilizado. excelentes Eeicíencia de coleccibn de energla 4.4 NEG. dw tiene mismo coeficiente de expansí6n que e l vidrlo La fig. dentro dei al vacio por un período largo de eervícío También el s e l l o de metal, ALLOY I t alta ( se pude DP6-280 ambiente trabajo y ia Este E 80 <%> 40 eo -- __ __ Figura 4.4 Eficiencia del colector solar. Si desea mas información Pobre el colrctor solar puede consul tar la referencia C 121. iDP6-2800) 4.11 CANTIDAD DE COLECTORES SOLARES Para determinar cual em el área de colecci6n requiere el sistema. primeramente, es necesario conocer solar Cual que 86 la cantidad de energla que se demanda y el flujo másico de fluido de transferencia de calor requerido. _.. . 95 T = 105OC m = 160.215 kg/h T = 12OoC Cp= 0.83 kcal/kg°C I GENERADOR 16 kW T = llO°C Cp= 0.82 kcallkg t I cv 1.3 kcal/kg°C T = 88OC I O C m = 160.215 kg/h Cp= 1. IS kcal /kg°C Figura 4.5 Generador, transferencia de calor. Como se doterminti en el capitulo 3 seccíbn que demanda el generador es 16 kW seguridad del 1 5 % ) . La cantidad de 3.5 (considerando fluido de calor requerido se puede calcular partiendo de un la energla factor transferencia las de de temperaturas propuestas de entrada y salida. del aceite, e n el generador. como se muestra en la fig. 4.5. El aceite que se utílira es conocido con el nombre de Marlotherml. Las propiedades de este fluido obtenidas de la referencia C161 y de la tabla 3 del a p h d i c e . son Obtenidos los valores de los calores especlficos del aceite. para las temperaturas correspondientes de entrada determina el calor especlfico medio: CP = t 0.83 .+ 0.82 I = 0.825 2 De t e r m o d i n b í c a 8e sabe que 96 y kcaiikg OC salida. se Aplicando asta ecuici4n se obtiene quc 0.825 i 120 16 kW = o como = - 110 1 koa1 1 kW-h = 860 kcal entonces 16 I 860 I í ( 1 8.25 / ) C/kg OC O kg/h m = 1667.87 k g / h 1 La densidad promedio del k g i m , luego entonces se puede sabiendo que! = Marlotherml calcular el i 110-120°C), volumen es 912 rmquerido. m/v Donde = densidad = masa v = volumen Despejando v = 1667.87 se tiene que v / 912 = 1.82 m'/h Expresando el reaultado en I/h se obtiene m o = 480.7 Galih 1819.5 I / h Hasta este punto es conocida la cantidad de transferir y el flujo másico de aceite requerido para dicha cantidad de energla. Para determinar la eficiencia de los colectore. energla transferir solares utiliza la tabla mostrada en la fig. 4.4.. por tanto necesario conocer, cual es la dlferencia de temperaturas A T la irradiation solar J . 97 a se es Y La diferencia de temperaturas AT de utilizada en la tabla eficiencia para Suntube (DPB-2800) emtá dada por Donde Tm = To AT = Tm - Ta (4.1) Temperatura media del Qluido de trabajo Temperatura ambiente La Tm temperatura se calcula temperatura de entrada y la temperatura de solar. Tm ( 12OoC + llO°C / ( - 2 el con salida promedio del da Colector 115OC O La temperatura ambiente se considera To = 32 C . por tanto AT 115OC - 32OC AT = 83OC 14.2) W/m2, para la regi6n estudio. se obtiene de un manu81 del Inetituto de Ingenierla J La radiaci6n solar promedio la UNAM (C&lcuIo de la en Radíación República Mexicana, series del Solar lnstantanea Instituto de lngenierla No. referencia C91. Para lae s e f e horae de determinó un valor promedio de: ineolación en de de la 472). efectivas se J = 695 W / m * Convirtiendo 'las unidades a kcal/m'h J = (695 W/m*) ( 0 . 8 6 kcaI/W-h) 14.3) kcal/m'h J = 597.7 Con los datos obtenidos se pueda determinar de la que la eficiencia de los colectores ~ o l a r e e ,para 0s E e 0.4 98 'I Fig. nueBtro 4.4 caso. (4.4) La eficiencia de colección de energla esta dada CODO rar&n d e energá absorbida por el colector y la cantidad total la de energla solar incidente sobre el colector E Donde E (4.5) PdJ = Eficiencia de oolección de energla. Qt J = Energía absorbida. = Insolación. De absorb ida la ecuacíbn Q+ (4.5) se cantidad la puede de nergla = ( 0 . 4 ) (695 W / l i * ) a+ a 278 w/m' = E J Ahora ee sabe, que la cantidad de calor que 14.6) los colectores solares absorben, por metro cuadrado, es 278 W y que la cantidad de energla requerida eon 16 kW. Con esta información se puede saber cual es el &rea de 16 kW. total satisfacer la demanda de los absorción necesaria para Si ee sabe cual es el Brea de absorción requerida y el &rea de absorcidn disponible por cada unidad de colección, os 9actible determinar la cantidad de colectores solares necesario.. De la8 especificaciones anterior, de Suntube (DP6-2800) dadas en la sección observa que el área de absorción por unidad es 1.82 m , p o r consiguiente el número de colectores se determina con la relación siguiente: P 68 No. de colectores p o r tanto: = 157.55 ( 1 . 8 2 mP/colector) )'is N o . de colectores No. de colectores 31.62 = = 32 (4.81 4t Arreglo de colectore.: El flujo de fluido de transferencia de calor rocomendado, para circular por los colectores. es entre 3.0 y 18.0 litros/min. Esta recomendaci6n nos indica quo tiene que hacerse u n arreglo de colectores de tal forma que se distribullan 108 1 819.5 I/h do el generador. Si se propone construír una arreglo de cuatro linens en paralelo con ocho colectores en e e r i e ( e n cada una do las aceite. necesarios para transferir la energla requerida en Ilneasl el flujo a circular en cada linea será entonces: Flujo por Flujo por lnea = lnea ( 1 819 I / h i / 454.07 l/h (4) Convirtiendo litros por minuto. se tiene que: Flujo por Ilnea Figura 4.6 = 7.502 I i m i n 14.9) (4.10) Arreglo de colectores. En la fig. 4.6 se muestra un esquema colectores con cuatro llneas en paralelo y siete cada una de Cstas. .I 0.0. *j - .-..., .,." del arreglo colectores de por 4.l.2 CAIDA DE PRESlON EN LOS COLECTORES SOLARES La informaci6n que la coipañla ( N E G ) proporcionó, para el estudio de los colectores sol8res. no incluye inforaaoi6n sobre las caldas de presión cuando oe utiliza aceite. Rat611 por la Cual es necesario realizar el análisis correspondiente para determinacich? del valor de calda de presldn y la capacidad de bomba. De la referencla í 1 2 1 se pueden conocer las flsicas de u n panel de colección solar, as1 como de sus energla partes colecci6n solar El panel íDP6-2800) son los tubos de transferencia de calor que contacto con la placa de colección de solar. consta de seis llneas de flujo (6 tubos evacuados) y estan cada 4.7 La calda de preaidn en un tubo puede ser ecuación siguiente, de la referencia i21: calculada - 4 f G 2 L / 2 g y * d LF en Ilnea L = con la está constituida por un arroglo de doble tubo, de longitud 2.83 m. ver figura la caracterlsticas integrantes, d í h e t r o s de loa tubos, longitudes, etc. Los componentes principales de un panel de la (4.111 Donde AF = Calda de presi6n en metros de liquido. f = Factor de 9ricci6n. L g = Longitud del tubo. G p d = Veiocidad máslca. = Gravedad. = Densidad. = Diámetro interno del tubo. Para la calda de presión en fluidos que circulan un ánulo, se reemplaza obtener f d en el nilimero de Reynolds por dentro d' y la Ec.í4.11) se modifica de la siguiente forma de para d El diclmwtro equivalente mcuac i6n : Donde d' = (4.12) - 4 f G 1 L / 2 g ; d ' d' d' se determina con dzL - la .iguionte (4.131 dts Dikmetro equivalente. d t i = Diámetro interno del tubo externo. die = Diámetro externo del tubo interno. El factor de friccidn 9 base en el namero de Reynolds. Figura 4.7 se puede determinar de tablas. con Doble tubo, diámetros. Los datos del arreglo y los cAlculos calda de presi6n se muestran a continuaci6n: Datos - Tubo interno Cobre (C1220Ti diam 10.7 m m x t 0.4 m 8 dii dLe - = 9.9 m m 5 0.0099 = i0.7 m m = 0.0107 m Tubo externo Cobre (C1220T) diam 15.88 m m x t 0.6 m m d a = 14.68 m m = 0.0196 dto = 15.88 mm = 0.0158 102 para determinar lo - Longitud del tubo L = 2 830 - 2.83 m mm Propiedades del fluido Aceite Marlotherml Fase liquida - llO°C Temperatura de trabajo 12oOc a = 919.5 k g / m V = 3.31 kg/m h iViscos1dad) Y m Flujo nisico Se recomienda circular entre 6 y 15 I/min por colectores. El flujo total de aceite que se requiere circular 1 8 1 9 . 5 I i h , calculado en el punto 4.1.1 Si de esta seccifrn. los es se desea un arreglo d e colectores con cuatro lineae en paralelo, se tiene que el flujo a circular por cada linea es: No. de lineae = Flujo total Flujo por llnea E / Flujo por llnea ( 1 819.5 I / h ) / Flujo por Ilnea = 454.875 Por tanto I/h 14.14) (4) ml = 7.59 I / m i n (4.15) Donde m i = Flujo másico por linea. El valor de mIoico esta dentro del rango recomendado por panel Expresando el m l en kg/h ml = esta 16-15 I i m i n i se tiene que 418.372 kg/h Con base en este valor de flujo por Ilnea. que es f l u j o por panel, mp. tubo, mi. flujo se determina e l flujo el correspondiente mismo por Flujo por tubo = Flujo total por panel / No. de tubos mt = (418.372 k g / h ) / ( 8 ) tot = 89 72 k g i h 103 (4.18) C Calda de presi6n en el tubo - Se calcula G (Velocidad iAsica) d2 G = 4 m i / G = 4 ( 8 9 . 7 2 kg/h) / G - CAlculo de Re = - = Re (N O . de (0.0099 m i Factor de friccibn (0.0099)' 905 839.15 k g / h m' (4.17) Reynolds) R e = d G / V kg/h m") Re = 2 709 ( 9 0 5 839.15 f. De la fig. 3.11 / (3.3102 kg/m h ) (4.181 Factores para flujos en tuberlas y tubos, referencia t 2 1 , factor de fricci6n para tubo comercial Reynold6 calculado anteriormente f - cox - en se funci6n de fricci6n obtiene del No. 0.013 el de (4.19) Cálculo de calda de presiein, utilizando la Ec. (4.11) Donde entonces AF = A F 0.05673 m es la calda de presibn expresada en A P a p g Donde AF AP = Calda de presiein, en unidades de fuerza por área = Densidad g = Constante de gravedad AF = Altura de la columna del liquido 104 (4.20) m. luego (4.211 Substituyendo valores en Ec. (4.211 se obtiene AP = (919.5 kgim'l 511.76 Nw/m' nP = (0.05673 m i (4.221 0.074 Ib/plgz AP = A? (9.8 m / s L l 14.23) 0.005 a t m = (Calda de presión en el tubol - * Calda de presión en el Anulo Se calcula el Area de flujo en el Anulo aa = - í aa - idti' / 4 0.01468a - 0.0107'i 0.000079334 E G = nt 09.72 k g / h G = / 4 (4.241 18' Diametro equivalente ao / / 0.000079334 m L (4.25) 878 016.14 kgim'h d' d' 9 d2i d' = O.Oi408 d' - dse') Ahora 6e calcula G (Velocidad mAoical G = - aa = aa - - dio 0.0107 0.00398 (4.26) N o . de Reynolds Re = (0.00398 m i - Factor de friccibn Ro a d' G / V (878 816.14 kg/m'h Ro = 1 056.04 f. De la fig. I 3.11 / (3.3102 k g i m h i (4.27) Factores para fluJos en tuberias y tubos. referencia C21, 6e factor de fricción para el tubo comercial en función 105 de friccibn obtiene del el nomero da Reynolds calculado anteriormente f = 0.0165 - (4.28) Se calcula la calda de presi6n en el Anulo, utilizando 14.121 AF la €0. = 4 f G ' L / 2 g p X d ' f i = 4 (0.0165) 1 8 7 8 8 1 8 . 1 4 1 ' ( 2 . 8 3 1 I 2 (9.811 1919.5)' AF = - l0.00398) 13 6001' 0.1696 m Utilizando la Ec. (4.211 se obtiene que d = P 8 & 8 P = (919.5 k g / a e ) ( 9 . 8 1 m h ' ) AP = 1 520.82 Ni/mx AP = 0.22 Ib/plgx d = 0.015 atm 1 0.1686 m ) (4.301 14.31) (Calda de presión en el Anulo) * Calda de presión total en u n doble tubo A ¡ % Donde PP Tubo + AP Anulo APrDf Caída de presi6n total en el doble AI' Tubo = Calda de presión en el tubo 'IA í 4.29 I Anulo tubo = Calda de presibn total en el Anulo APTD = 0 . 0 0 5 + 0.015 = 0 . 0 2 a t m dtD 14.321 0.294 lb/pig* (4.33) (Calda de pres16n en el doble tubol * E n el atIAli6is anterior no se estA considerando la caída de presión en los puntos de entrada, r e t o r n o y salida del fluido. Para determinar estas caldas de preeíbn se hace uso de la referencia [ 1 1 1 . Utilizando la relacitan de LD = K f y hallando el coeficiente de 106 longitud resistencia K equivalente en 116 tablas correspondientos, se puodo obtoner. p a r 8 el lado del tubo, una longitud equivalente de oaida de presih para el Anulo, una longitud equivalente caldas de presión son a causa do las LA LT = 0.935' m , y 0.44 o: 6stas P dw conexiones dentro de la unidad de colección solar. la tuberla Para modificar la calda de presión en el tubo intorfor. sol0 se aumenta el valor de Ec.(4.11), e s t o es: longitud la del tubo 0.935 L = 2.83 q t 0.935 L = 3.765 m on IP (4.34) Por tanto la calda de presión en e 1 tubo y conexiones es: AF = 0.07547 m AP 0.0987 Ib/plg* AP 0.00672 atm (Calda de presi6n en tubo y conexiones1 0 La modif caci6n de considerar las conexiones, el tubo. esto es El calda 60 de presión en el determina de igual forma va or de la longitud en I8 (4.351 14.381 (4.371 Anulo. que para Ec.14.12) aumenta 0.44 L = 2.83 m + 0.44 L = 3.27 m al m. q (4.381 P o r tanto la calda de presión en el Anulo Y conexiones es: AF = 0.1948 m zP = 0.2548 Ib/plgL PP 0.0173 atm (Calda de presión en et Anulo es: y conexiones) 14.391 (4.401 La calda de presidn total por IInea en el panel d e coleccl6n e t = 0.0987 Ibiplg' 107 + 0.2548 Ib/plg* A?T APT * ('4.41) = 0.3535 Ib/plg* = 0,024 atm (4.921 La caida de presión por panel ea *ponrL 0 = APpanel 14.43) 2.121 Ibiplg' (4.441 0.1443 atm (Calda de presión por panel) * Calda de presión total energla solar en sistema el de Si e l sistema de colección solar cuenta con colección y la caida de presión por panel es colecci6n 32 paneles conocida. de de luego entonces la calda de presión se determina de la forma siguiente: APCS Donde (4.45) = LPpanol x No. de paneles &cs = Calda de presión en el sistema de colección solar APpanol = Calda de presidn por panel. Substituyendo en la Ec.(4.451 APCS = (2.121 Ib/plg') (32) APCS = 67.87 I b / p l g * 14.461 (CaIda de presión en e l sistema de colección solar) Con la calda de presión calculada para el colección solar, la caida de presión en tuberias y el demanda el generador, se puede tener una idea capacidad de la bomba que 8e requiere. De S fluJo aproximada los observa que la potencia del motor requerldo eerá de 3 / 4 HP y u n precio cercano a sistema de catalogo8 de que la se aproximadamente 1 , 8 2 0 . 0 0 0 . 0 0 (540.00 Dlls.1 4.13 PRECIO DE LOS COLECTORES SOCARES La cotizacl6n realizada por Nippon Eloctic Glass para laa unidades de coleccl6n solar con tubos evacuados Co. Ltd. fue la siguiente: PRODUCTO : Modulo de coleoci6n solar de tuboa evacuados PREC I O: 540.00 DI Is í Modulo CANT I DAD : TOTAL : Modelo No. NDPG-2800 32 Modulos 17,280.00 DI Is In TIEMPO DE ENTREGA: Cinco semanas despude de recibir orden de compra FORMA DE PAGO: Por una carta irrevocable de crédito en Nippon *Nota: Electric Glass 'Co. o pago adelantado. Se utilizará un material de para las Cubierta6 metalican de acero 106 Ltd. hoja de favor de Osaka. inoxidable Japan (ASTM 304) modulos. para satisfacer los requerimientos especlficos de proteccibn a la corrosión cerca del mar. Nippon Electric Glass Co.. Ltd. 1-14, Miyahara 4- Chome, Yodogawa-Ku, Osaka 532, Japan Telefono: 06-399-2711 Fax: 06-399-2731 Telex: 523-3884 NEGLAS 3 4.2 GENERADOR El generador es el íntercambiador de calor función elevar la temperatura de la soluci6n que tiene COMO concentrada amoniaco-agua. utilizando e l fluido caliente que proviene de colectores solares. Lao propiedades 109 termodinámicas del de los fluido frlo isoluci6n de amoniaco-agua1 y las propiedades termodinAmicae iarlothermll se obtienen del 3 del a p h d i c e . Uno de 108 se doterminar6n en el cipltulo 3 punto dol fluido 4.1.1 y caliente de la de grandes cantidades de fluido de trabajo no para Comparando un intercambiador de doble tubo con uno su anteriormente descrito. Por otro lado, a causa de quo de este requiriera operaci6n. de tubos. el primero de esto6 es el q u e mejor satisfac. No. tabla criterios principales para la selecclón equipo, fue elegir u n intercaabiador de calor que iiootte coriza el el y criterio aceite tiene un bajo coeficiente de transferencia de calor, se consider6 conveniente emplear tubos transferencia de energla. aletado6 para " Brown Fintube" es el dicha m e jorar nombre compañia que se eligi6 para la obtenoibn del equipo. Para determinar el tipo d e intercambiador de requiere, la cornpanla Brown Fintube proporcion6 un cual cuenta con u n apartado de datos tbcnicos, una secci6n nombrada Double Pipe and " Application Multitube Hairpin diseño estimado de intercambiadores and Design doble la que se el citAlogo. mismo Exchangers" de calor de que tiene Estimating taplicaci6n tubo y of y orquilla multitubo). ésta secci6n se puede consultar en el documento No.1 del apéndice. Los datos determinados para la selecci6n del equip0 se basan en el mbtcdo indicado por la compañia. A contituaci6n se muestran los c ~ l c u l o s realizados: 1 ) Los datos iniciales son los siguientes: Carga térmica: 16 kW Para el lado del fluido caliente Fluido: Aceite Harlotherml il 2ooc Temperatura de entrada: 1 Calor específico promedio: 0.82 kcal/kg°C Flujo volumétrico: 0 CPH 1 10°C Temperatura de salida: 1 667.87 k g / h F l u j o másico: 1 atm Presión de operaci6n: 110 *Para el lado del fluido frío Pluldo: Temperatura (liquido) de entrada: Temperatura (vapor) de salida: (Wi Cambio de fase Ilquido-vapor Flujo másico: Solucífin NH%nM, X 88OC - O.b2 105OC 10) 160.215 k g / h FI ujo vol umetr Ico: 0.9 GPM 13 ati Presi6n de operaci6nr '> del documento N o . 1 del apéndice. se 2 ) Utilizando la fig. 5 determina el siguiente MLTD MLTD = 33OF Posteriormente se calcula el coeficiente de transferencia de calor por unidad de área UA = P / UA MLTD (4.47) Para convertir 16 kW a BTU/h se tiene que: ( 1 6 k W ) ( 3 415 BTUikW hi = 54 6 4 0 BTU/h Substituyendo en la Ec.i4.47) UA = 54 6 4 0 / 33 = 1655.75 BTU/h OF 3) De la fig.1 del documento No.1 del apbndice. se raz6n de transferencia de calor Uo. En el rango (4.48) determina de temperatura sistema illO-iZO°C). se determina para vaporización que el aceite Marlotherml opera e n nuestro los valores d e densidad y viscosidad se aproximan a los del a temperatura de 60-7O0C. El U0 en tubo desnudo Uo = 150 ETU/h ltl la pie' OF agua (4.49) Area requerid8 I 1 055.75 / Area requerida = UA / Ua 150 = 11.03 pie’ Para el área calculada, de la fip.2 del documento apbndice requiere, (‘4.501 No.1 del , se puede observar que el tipo do intercambiador que se se encuentra los entre intercambiadores de doble tubo. nemeros y 51 53 De la flg.3. para intercambiadores de doble tubo, del de mismo documento del apendice. se purde observar que el tipo No.51 es el más apropiado, dado que flujo mAsico. satleface las necesidades elnimas Por tanto se selecciona un intercaebl8dor de doble tubo tipo No.51, con las siguientes características: - Para alta presión ( 5 0 0 Ib/plg*i - No. de aletas 36 - de del Tubo cédula 40 haterial del tubo externo: Acero al carbón Material del tubo interno: Acero al carbón Material de las aletas: Acero al carb6n longitud de la aleta: 20 pies 31 Dado que u n o de 106 fluid06 es una soluci6n amoníaco, el material recomendado para la equipo es acero al carbon. que construcción contiene de e6t.e Por el tipo y las caracterlsticas del equipo que requerimos, se puede observar en el a p h d i c e , en el documento No.1. que el intercambiador de calor obedece 81 c a i g o 512E000820. La descripci6n flsica del equipo se encuentra en el mismo documento. PRECIO UNITARIO: 8 9,810.000.00 TIEMPO DE ENTREGA: 10-12 semanas FORMA DE P A M : Neto en 30 dlas 112 (3,270.00 Dlls) El precio cotizado no incluye -n i n g ú n municipal de ventas. 61 alguno de Bstos impuesto existir, pudiera valido por 90 dins. estatal y o e6 Brown Fintube Company 12602 F M 529 Huston. Texas 77041 Fax: 1713) 466-3701 P.O. B o x 40082 Huaton. Texas 77240-0002 Phone: 1713) 466-3535 4.3 SEPARADOR-RECTIFICADOR El Separador-Rectificador e s un elemento del sistema que primero es separar el vapor de cumple con dos objetivos: El NHs-H20, de la soluci6n que proviene liquido vapor, el segundo obJetívo es del generador rectificar en enfriar o fase el vapor separado, de tal forma que la totalidad de vapor de agua se condense y el vapor que finalmente amoniaco puro o al menos cerca del resulte 100% de sea un pureza. vapor Un de equipo comercial que satisfaga éstas funciones dificilmente se encuentra en la industria, razdn por la cual, decidi6 diseñarlo y industrial dos ordenar su el grupo construcción de en termodinámica alg6n taller I Existe la alternativa de que el separador-rectii'icador elementos destilacibn y el independientes. El separador una columna sean de de coraza y cuboa. Los datos con l o s que se cuentan y los resultados de I06 calculos siguientes: rectificador para el un diaeño 113 intercambiador del de intercambiador calor son los * De la tabla 3.1 se obtiene -Para la entrada en el separador Fluido: SOlUCiUn “ 3 - H t O . Temperatura: 105OC x = 0.42 Presi6n: 13 ato Flujo másico: Fase: - 160.21 kgíh Liquid?-vapor Salida del separador lado liquido Fluido: sOlUCi4n NH¶-HZO, Tempera turd: 105Oc x = 0.326 Presidn 13 ato Flujo másico: 134.85 kg/h Fase: Liquido - Salida del separador lado vapor o Entrada al rectificador. Fluido: SoluciOn NHs-1.420. x Temperatura: 105OC = 0.92 Presi6n: 13 atm Flujo mAsico: 25.35 kg/h Fase: Vapor -Salida de rectificador lado Ilquido Fluido: Soluci6n NHs-HzO. Temperatura: 43.5Oc x = 0.768 Presidn: 13 atm F l u j o m4sico: 8.67 kgih Fase: Liquido - Salida del rectificador lado vapor Fluido: Solucí6n NHs-Hz0. Temperatura: 43.5OC x = 0.999 Preeión: 13 atm Flujo másico: Fase: Vapor 16.68 k g / h 114 La carga o térmica el calor cedido el Por separador-rectificador es aproximadamente 5 kW ( v e r secccitm 3.51 Separador Columna de destilaci6n de columna contara con una acero al carb6n. serie de empaques por el mbtodo El que separaci6n del vapor. No se conocen las dimensiones espera obtener el modelo de incrementando el número de empaques haata lograr de 1P exactas. se nricleo facilitan experimentaci6n, deseados. los resultados Rect if icador Coraza : Diamentro interno: 8 plg Tipo de configuraci6n: E Distancia entre espejos: Baf I es: (203 2 m m ) 975.4 mm 14 vertica es de tipo segmento sencillo con 45% de corte y 3.125 p l g Tubos: (3.175 m m ) de grueso Diámentro exterior: 314 Espacio entre tubos 1 plg Arreglo de tubos: Tr iángu I ar No.de pasos: 1 Diámentro interior: (centro-centro) Material : No.de tubos: No. de hileras, tubos en la 15.740 mm ( 1 6 BWGJ (25.4 m m ) Acero al carb6n 42 ven te na : 13 por todos los bafles: 1 No. de hileras, tubos que pasen p l g (19.85 m m ) 60° la t o 1 erancias: Haz de tubos-coraza ldiametricol: 1 / 2 p l g 1 1 2 . 7 a m ) B a f I e-Coraza : 0.1 plg (2.54 m m l Tubo-Baf 1 e 0.125 p1g ( 3 . 1 7 5 m m l Di&metro 1 plg Nom Boquillas: (tod8sl Nota: Se requiere una boquilla extra. 125.4 mml En la coraza, en el extremos de salida se requierm una boquilla de 1 p l g de díimentro nominal en la parte superior. Ver fig. 4.8. Fig. 4.8 Rectificador Con base en equipo similar termodinámica se puede realizar una adquirido precio del equipo y tiempo d e entrega. PRECIO ESTIMADO: $ 3.500.000.00 estimacicin i1.116.67 TIEMPO DE ENTREGA: 6 - 8 semanas por Laboratorio de Energla Solar d e la UNAN el grupo aproximada Dllel A.P. 34. Temixco, Norelos. C.P. 62580 Tel: 9 1 1731 1 4 -1 8 -3 7 y 14-18-38 Fax: 9 1 173) 14-16-62 116 . L.. ., . ' de del 4.4 COHXNSADOR Con las propiedades tersod1nAmioss. obtenidas en rl capitulo 3. de la sustancia de trabajo cantidad de energla que posible obtener condensador o los en datos solicitar existentes en el mercado. El flujo refrigerante. de se agua óste la entra se información de necesarios para Cp = 1 kcal/kg°C. considerando Qco Donde Qco m Cp TI Ti Para calcular el una condensscibn del condensadores temperatura T = 33OC. El calor flujo es del especifico masico = m Cp (Tt - Tti de de de del agua 14.51) = Calor de condensación. = Flujo másico de agua. = Calor especlfico de agua. = Temperatura de salida del agua. = Temperatura de entrada del agua Despejando m de la Ec.(4.51) correspondientes se obtiene m 0 la substraer. la diseíio el = 6 kW y el calor utilizamos la ecuacicin siguiente: Qco para y condensador que T = 3OoC y de salida condensacibn se considera al tiene requerido determina entrada del agua de agua que y aubstituyendo los valores = I6 kW) I860 kcal/kW-h) / ( 1 kcal/kg°C) L33°C-300C) m = 1 720 k g i h (4.52) Dato6 para el fluido caliente Amonia (NH31 Temperatura de entrada, TI : 43.5OC Temperatura de salida. T e : 34OC Presión de fluido, Pco : 12.94 atm F l u j o másico, m t 16.68 k g / h Viscosidad, V : 0.15 centipoise Conductividad termica, K : 0.9321 kcalih a°C Densidad, p : 589.81 kgim' Datos para el fluido frlo Agua (HzO) Temperatura de entrada, Tr : 29OC Temperatura de salida, To : 32OC Presión de fluido. Po : 1 atm Flujo másico. m : 1 720 k g i h Viscosidad, V : 0 . 6 5 centipoise Conductividad tarmica. U : 0.5304 kcal/h m°C Densidad, Y , : 993.1A k g / e S El equipo se instalará cerca del mar Con IO6 dato6 sellalados interiormente se realizó un anAlisia para utilizar un intercambiador resultados no fueron muy de calor atractivos como de doble para tubo. emplear Los este sistema de traneferencia de calor, a causa de que la longitud del intercambiador re6uI to ser muy grande, 30 met ros aproximadamente. un La decisión final fue utilizar tubos intercambiador de E l eouipo fue solicitado a/ Industrias Herdel. C . A . coraza y con base condensador que la en los d a t u 6 anteriormente de'scritos. El compañla ofrece y al mas aceptable para este caso es el modelo t 1 Y E -3 para 3 toneladas de refrigeración. para manejar amonlaco por el lado de la coraza y agua por: 10s tubos. Se solicit6 a la compaRla !!:que al construir el condensador se consideraran las caracterlsticas exteriores del equipo que se muestran PREC i O : 4 15% en IVA I la fig 4.9 d e la si(guiente seccibn. s 4.839.813.00 7 2 5 , 9 7 1 95 - 5.565.784 9 5 11.855.26 DI161 CONDICIONES DE PAGO: TIEMPO DE ENTREGA: 50% anticipo 11 50% contra entrega 4-6 'I semanas Esta cotizaci6n tiene videncia. en condiciones la economla del pals ( A ñ o 1982). Industrias Herdel. S . A . 09icinas: Colima No. 40. Calle Ceylan Tlanepantla, €do. de Méx.. Tel: 392-89-95 y 392-97-97 Telex: 172337 INHEME I 54150 119 normales de 4.5 ALMACEN DE C O " S A D 0 La capacidad del depósito para almacenar el condensado, se determina a partir del flujo másico que sale del condensador, m = 16.68 k g / h y el tiempo de operacidn del condensador. La densidad del amoniaco a 34OC se obtiene de la figura 3 del apéndice, p = 0.59 k g / l . El volumen que amoniaco liquido se obtiene partiendo de 11 = m / v ocupa 100.08 de kg Despejando el volumen se tiene que: v = m / 1 = (100.08 k g ) / (0.59 k g / l ) II v = 169.6 I 170 I - La presión de operaciAn e's P=z = 12.94 atm. ,I Este depósito se solicito a Industrias Herdel. C. A., las especificaciones siguientes. basandose en el capitulo 27 ACHRAE, referencia í141. Se requiere u n dephsito pira almacenar 170 I (30-4OoC) a una presiCin recipiente de acero al mostradas en l a fig.4.9. de I 14 carbdn atm que (205.8 Ib/plg posea las 1 ) Tiene que garantizar el almacenamiento de 170 I más el de /I 15% de gases no condensables (25.5 I ) . L bajo del amoniaco ) *n Un caracterlsticas de amoniaco. en total 19.5 I ma6 el necesario para c u m p l i r que el nivel más bajo de llquído, en el depósito, no sea menor que do.! de salida i 2d I , veces el diámentro de como se mues,tra en la fig.4.9 2) 8 tomas que puedan ser de $ 2 la tuberia o 3/4 de pulgada. 3) La toma ( 1 5 ) de salida del refrigerante. tiene que instalaree de tal forma que el tubo que tlransporta al refrigerante, entre al depósito una distancia igual al diamentro del tubo. tal I muestra en la fíg.4.9. E l diámetro puede ser pulgada. de 112 o como 314 se de 4 ) E l e q u i p o se i n s t a l a r á c e r c a d e l mar. La f i g . 4 . 9 muestra l a s c ? r a c t e r l s t í c a s d e l condensador y d e l d e p 4 s í t o d e l condensado. Las tomas 1. 3 , 4 . 5 . 8 . 7 s e r d e 1/2 o 3 / 4 d e pulgada. pu I gada . La toma 2 tendrá que -( 7 ) r- =IDA DE iYWiIICM.IENif < E > E N T R A U Di u;uL F R I A ta>s~lm DE < 4 >VALVULA (1) WCiNMETW Di -LA_. ALIVIO- C I condensador ( 6 ) MDUX < I t > SMlW M PURGL i l l ) V K V U U Dc K l V l O d e p o s i t o de condensado Figura 4 . 9 Condensador y d e p 4 s l t o . PRECIO : + 15% c 2.435.5$3.00 - 365.331.45 IVA C 2.800.874.45 1 9 3 3 . 6 3 DI Is) CONDlClONES DE PAGO: 50% a n t i c i p o 50% c o n t r a e n t r e g a TIEMPO DE ENTREGA: 3- 4 semanas y air 8 Quedmn dm uni Esta cotizaci6n tiene vigencia. en condiciones I 8 1992). economla del pals ( A ñ o normal06 da Industrias Herdel, S . A . Oficinas: Col ima N o . 40, Cal le 'Ceylan Tlanepantla, Edo. de H e x . . 54150 Te1 : 392-89-95 y I 392-97-97 Telex: 172337 INHEME 4.6 ENFRIADOR DEL REFRIGERANTE LIQUIDO La finalidad de este dispósitivo e s disminuir la temperatura 1 del amoniaco liquido que proviene del almacén d e condensado. para aumentar la capacidad de termodinámicas de los fuidos ' de enfriamiento. trabajo se Las propiedades calcularon en 'I capitulo 3 y los resultados se pueden observar en la tabla 3.1. i6 el Para el fluido caliente Fluido: Amoniaco llquido Temperatura de entrada: 34OC Temperatura de salida: 25.96OC Flulo másico: 5.56 k g i h Presi6n de operación: 3 atm * Para el fluido frlo Fluido: Vapor de amoniaco sobro calentado Temperatura de entrada: -1OOC Temperatura de sal ida: 7.9OC Flujo másico: 5.56 k g / h Presibn de operacidn: 3 atm I i' . ? Por estudio y experiencia en otros sistemas diseh en refrigeracidn, se decidid que'tel intercnmbiador de calor sea t i p o de t u b o y coraza. donde !el serpentin v el material tubo se utilizado es acero al carbbn. Se u n esquema en la fig.4.10. 122 il forma de del de muestra . , Para determinar las diienaiones del 11 equipo se siguiente análisis. La carga térmica del enfriador fue reallZi el calculada punto 3.3.6 del capitulo 3. e n el Q = 5 2 . 4 8 kcal/h El coeficiente = 61.02 W de I transferencia de calor, U. se obtiene de la referencia i21 de la tabla 8 Valores aproximados de los coeficientes totales para el diseño. El valor Incluye u n factor de obstruccibn total de 0.0033 y caida de presibn I permisible de 0.35 a 0.68 atm. Para transferencia de un gas y un 2 0 C. Para determinar el liquido se considera U = 5 0 kcal/h q área total de transferencia de calor se sabe que: Q 7 U A MLDT (4.531 Aiin se desconoce e l valor de MLDT (Media Logaritmica de la Diferencia de Temperaturas) d e la Ec.(4.53). La MLDT ee factible total conocerla dado que se conocen las temperaturas de operacion los fluidos de trabajo. Para determinar la MLDT se cuenta c o n ecuacibn siguiente. considerando un flujo e n contracorriente: MLDT = (Tí - tZ) - (TZ I n (T$ - tz) / - (TX - ti) de la (4.54) til Donde MLDT = Media Logaritmica de Diferencia de Temperaturas. II Ti = Temperatura de entrada, fluido caliente. T2 = Temperatura de salida. fluido calient. ,I t s = Temperatura de entrada, fluido frío. t2 = 11 Temperatura de salida, fluido frlo. Substituyendo en la Ec.i4.541 MLDT = (34 - I n (134 7.9) - (25.96 - - 7.9) t / + 101 -- (25.96 + 1 0 ) ) MLDT = 30.6Oc 123 (4.551 Despejando A de la transferencia de calor A Ec.(4.53) se obtiene el - A área total P / U MLDT = (52.48 kcal/h) / ( 5 0 kcalih m* OC) (30.8OC) A * 0.0343 mz Si se desea utilizar para,,el serpentín tubería de (4.56) 114 de que la pulgada de dikmetro nominal y c&dula 40, d e la referencia C21 la tabla 1 1 Dimensiones de tubería de acero, se P Si superficie p o r pie lineal es 0.095 pie /pie. área total de transferencia de calor A = obtiene que P A = 0.369 p i e . Por tanto tubo requerido para el serpentln es: L = (0.369 pie*) / de longitud a mlnima I el se de 15% se obtiene que: L = (3.88 pie) ( 1 . 1 5 ) L = 4.46.2 pie pie 2 = 3.88 pies (0.095 pie'/pie) I convertimos 0.0343 'm la Considerando un factor de d i s e R o del obtiene de 5 pies = 1.53 m (4.57) Si se propone un serpentln de 2 p l g de diámetro, es factible utilizar como coraza u n tubo 'de 2.5 plg de diámetro cédula 40 de acero al carbón, de 1.5 pie de largo del mismo material. I Cntraaa n m n I aco Liquido SaIiplo. vapor ac alwnIaco Serpentin Coraza Entrada vapor dp amon i aco SaiI,d, de onontaco Liwláo sukmfriado Figura 4.10 Enfriador 124 con nominal cabezales PRECIO ESTIMADO DE FABRICACION: TIEMPO DE ENTREGA: 318.34 Dlls 1 S .955.000.00 3-4 semanas Laboratorio de Energla Solar d e , l a UNAM A.P. 34, Temixco, Morelos. C . P . 62500 Tel: 91 ( 7 3 ) 14-18-37 y 14-18-38 Fax: 91 ( 7 3 ) 14-16-62 4.7 EVAPORADOR El evaporador es el díspositivo ,! que tiene mantener la cámara frigorifici del sistema a una como funcibn temperatura no I se instala en la parte 8uperior;de la cámara, el cual absorbe la mayor de 1 C. Este d i 6 p 6 S i t i V O : e 8 u n intercambiador de calor que energla térmica O del aire circundante. Las termodinámicas del refrigerante'lque circula por el evaporador 68 propiedades interior determinaron en la secci6n 3.3 del capltulo variacibn de temperatura del: aire o dentro con6idera de l0C a 30 C, esto es partiendo equipo inicia su operaci6n. I/ de de la la 3. cámara hora que del La se el Refrigerante Fluido: Amoniaco Temperatura de entrada: 25.96OC Temperatura de salida: Flujo másico : -1OOC 5.56 k g / h Pre6i6n de operaci6n: Carga térmica: 2 kW 3 atm Con e l prop66ito de determ>inar la longitud minima requerida, para la construcci6n realizar el siguiente análisis:, del evaporador, e6 de tubos necesario I Caracterlsticas de los tubos aletados Tubo de 1 p l g de diámetro CD 4 0 i e n acero al carbdn. I Aleta de 3/4 de p l g de altura con u n espesor de 0.05911 plg. 5 aletas por plg. Superficie de transferencia de,icalor 2.5 pie'ipie (0.782 m Para determinar el área deCtransferencia de calor requerida se parte de la siguiente ecuacibn, obtenida de la referencia [ 2 1 , 11 para t u b 0 6 aletados: Q = Donde U A (nT)p (4.58) Q = Carga termica de r e f r i g e r a c t h . U = Coeficiente toa1 de transferencia de calor para diseno. A = Area total de transferencia,,decalor. (.&T)p = diferencia de temperatura entre la pared del tubo y el llquido en ebullicibn. E l coeficiente total de diseRo tabla 8. Valores aproximados de los U se obtiene coeficientes de la totales diseño, de la referencia [ 2 1 . L o s valores incluyen u n de factor obstrucción total de 0.003 y caída de presibn permisible de a O. .68 atm. U = 25 kcal / h m' OC para gases. I gas refrigerante se determian de la siguiente forma Donde Trt - TLO I l q u i d o en ebul I icidn TPT = Temperatura en la pared del tubo liquido en ebullicibn Substituyendo valores en la Ec.:í4.59) ( a T ) p = i°C + 10°C IiTIp = il°C "!126 y tubo de 0.54 el (4.59) ( ~ T l p= diferencia de temperatura entre la pared del tubo T L = ~ Temperatura del para 'I La diferencia de temperatura entre In pared del (iT)p = la y el Despejando que A de la Ec.(4.58 y substituyendo valores se A = A = ( 2 kW1 ' A Q U (860 kcalikW-hl tip ( 2 5 kc'alih 'm / OCi (ll°C) ( 0 . 0 1 2 7.82 m 2 A = obtiene 04.15 pie2 (4.60) Por tanto la longitud de tubo requerido es: \ L = (84.15 p i e ' ) í ( 2 pie'ipiei L = 42.075 pie = 12.83 m La tuberia requerida se solicito Birlos. S. siguiente: Tubo aletado: C. de A. la V., a informaci4n en forma helicoidal Espeoor de la pared: Longitud aletada: Extremo sin aleta: 1.315 plg 0.133 p i g 16.067 pie 2.0 p l g Extremo opuesto sin aleta: 2.0 p l g Longitud total de tubo: 16.40 pie Aleta6 por pulgada: Altura d e la aleta: Tipo de aleta: Material d e l tubo: PRECIO POR TUBO: TOTAL 5.0 0.75 p l g Solid HF Extremo del tubo: IVA compañla adquirida Aletas fue y la Aletas soldadas por resistencia en alta frecuencia DiAmetro exterior : + 15% la 14.61) Planos Acero al carb6n C 1,836,675.43 275.501.31 S 2.112.176.75 127 it Si el tubo comercial mide 16.4 pies de largo y se requiera de longitud minima de 42.075 pie necesarios es tubo, la 42.075 No. de tubos ,= cantidad d e ' tubos = 2.56 16.4 Por tanto el No. de tubos que s e requiere comprar son el precio total PRECIO TOTAL: CONDICIONES DE PAGO: TIEMPO DE ENTREGA: 3 I 86: 0 6,336,530.25 y (2,112.18 D116) 50% de anticipo I una 50% con'tra aviso de emb,arq ue material list0 para 4-6 semanas 'I Aletas y Birlos. S . A. de C . V . Arqulmides No. 199. 2 0 . piso. Colonia Chapultepec, Morales D. F. 11570. Mexico. D. F . Teléfonos: (525) 203-91-47: 255-48-36: Telefax: (5251 255-48-32 203-52-65 4.8 ABSORBEDOR El Absorbedor e s u n lntercambiador tiene como funci6n I de calor vertical que condensar e l vapor de amoniaco y disminuir la temperatura de la mezcla de soluci6n 1 dbbil-vapor componentes que han sido mezclados previamente a la absorbedor. de tal forma q u e , ,a la soluci6n sea una mezcla completamente salida del liquida. termodinámicas de los fluidos de trabajo se capitulo 3 y ee muestran en la tabla 3.1. de entrada absorbedor Las 128 del la propiedades determinaron El equipo se solicit6 a Industrias Herdel. S. A.. siguientes especificaciones: amoniaco. en bajo el las Carga termica: * 4 kW Fluido lado caliente Solucidn Fluido: de NHs-HsO. Temperatura de entrada: Temperatura de sal ida: Prealbn: 3 atm Flujo másico: Denaidad: kg/l Conductividad térmica: it 32.e0,C 53.40 kg/h 0.84 Viscosidad: 34OC x = 0.42 0.356 kcalih m°C 0.83 centipoise Fluido lado fr1o Fluido: agua Temperatura de entrada: Temperatura de salida: Pre6l6n: 1 atm 29OC 33OC Flujo máaico: 860 kg/h La compaRla indico calor vertical poder construir el requerido. por amoníaco-agua y vapor enfriamiento del de amoníaco cual lado de la coraza. I Coraza vertical de un paso Haz de tubo6 con un solo paso I I DiAmetro interno de los tubos: I Longitud del intercambiador: ,. , k - los tubos soluclbn y agua de de 36 0.02 q 1.8 m - Se. considera tubo flux s h costura i maneja de 0.20 No. de tubos contenidos en el haz: !. intercambiador /I Diametro interno de la carcgza: ',, por se el r (A- 1791 Se'considera carcaza de placa rolada en 1 / 8 p l g de espesor espejos de 314 p l g 129 .!. .,,,,:.,. .. , ./,.,..,I.< .,:. .: I .,,, :, .llc, Figura 3.- Densidades solucibn " 5 - H z O . 172 .. ,;. ,,,.., . . I ,..,. . I . ... :: ,: .... . 1 Figura 4.- Calores especificos para la s o l u c i A n NH%-w,O. 173 .. . Figura 5.- Conductividad termica para la soIuci*kn NHo,-HzO. 174 , . . .I I: . ., . . . , .. .. .. , ,. , . I ! , .. I . . . .. . I : ' .. :.' 1 . . . .. .. ,' I ,..' ..' , .. , . , ., :> . (7) . .. . . . . : , . . ,' : . / 1 ' : . . . \ i '\,I , ,$. . I ,. ' , . . . . ' . \ '. . I Figura 6.- Viscosidad para la solucion de NH%-W-O. 175 - ..., ....., ' :G: .., I . .. -I L. -.. ^ I . . . . .. . Figura 7.- Diagrama de Ponchon. 176 . ~ .~ : i. . ... Figura 8.- Diagrama de refrigeración solar modificado 177 Figura 9 . - E s t a d o d e Michoacán. México. 178 F i g u r a 10.- Cámara f r i g o r í f i c a . 179 0.0 *.I 11.w 14.11 lb.41 !S.50 1y.30 10.14 11.45 21.50 ~ ' U.UlJb1 O.cli74 n.ull1ü ~.IillEl 0.01184 0.OIIV) h:lO 0.01404 n. G ~ W ".O1414 17.50 18.M >c;i 0.0114'J 0.0115~ 0.0135v 0.01164 13.-74 14.97 . , iI.Ii1145 !>.I$ 11.14 $91.6 O.Uli99 Tabla 1.- Propiedades del !:.E %.U 1k.l :16.4 ii4.v 511.4 .U.l 170.1 51. I lb.4 J3.t $11.0 , ú98.5 iQ.0718, I 609.8 I , I w . 1 , U.0180 0.0811 610.5 , o . i w n ,~!l.l :0.'2718' amoniaco saturado. 180 Tnnp<*. !uta. t O 6.784 P.311 7.91l 7.b19; 1 4 b 8 16 lb >8.>1 44.3, 41.18 64.11 40.13 ' 0.1'14M 0.01r51 I1.01137 0.014b1 3a 31 59.74 62.19 ' 1b 38 b7.b3 70.4) O.Oli2: 10.01527 13.12 7b.3.l 79.38 81.15 85.82 ! C.UlI31 40 41 4b (6 48 50 5: :4 5b 18 60 62 b4 17.18 $4.91 10 18.8 71 74 lb 78 89 67 n4 8b ?8 w ' 1.910 : l.bil; 5.441. W I 5:b.? >$,.I blb.5 b17.2 >$,.I 64.7 6b.Q (1.1 ' 3.VIl Sb.I 5Jb.l >.tal 91.1 91.5 v5.1 '..>l. I J.541 1.418 O.Oli5I O.Oi.<58 ! 8861 ! ~ 2.954 ! :.851, ?.751' I.r5b 2.5bl 1.477 ?.I93 2.112 1.235 2 . lb! 2.089 2.011 I 109.2 518. I 5Ib.J i 0.01611 I O0183b1 1?1.0 502.7 I :$A! I , 0.?105 11.214? ' 4W.7 1.3081 I.YIOf 1.1450 I.I%Y 1~:IlRd I.IU1 i,iiij 1.1511 I.C"M 1,mn9 1.0811 1.0111 I.Ob51 1.0578 1.0101 1.04?4 1.0348 I .o211 I.OI41 h10.7 0.174q 611.3 631.5 b3l.8 b3i.O I i 1 ! I j 0.9972 Y.WY1 0.M5d O.Il70 O.1bYb bJ1.0 6Vb.7 494.1 491.6 190.6 0,1312 * 1:, . I 611.: .b3:.5 611.6 bil " 0.llPb O.Ilrl n.281) 0.1375 0.2917 0.9IlY o.mn 0.9hlb D.9l>l 3.9W );PI11 I.":.; h9I7: I.YiO0 1.wn 1.89V 0.1958 0.3POO 0.304I 0.3081 0.3115 U.3Ibh U . 3260 i6l.l IlP.0 I 1.1111 i.1111 0.2611 m . 3 Wh.6 InO.9 155.0 J.i?DI 1.2193 1.jw1 I.lb14 0.9601 bW.4 I . I16 9.1'43 1.>171 1.3114 1.lbPI I.. 1181 o. 1511 5no.i I>>.) ~ l.>!ll l.3lj7 0.IJCI O . 1408 i'.1451 0.1894 MI.7 1.111; I b 7 . 0 1.0471 627.3 115.1 117 1 1:?.7 l.ll9, 1.10 ~ 0.157? O.Ibl(1 l.33>2 I . I949 I . I8h4 b17.7 bI8.0 b:8.4 679. I 019.4 b19.1 inu.0 1.2117 I I2W 1.004b 1OY.b IS8.9 .I< !.ai.'! 5lb.l 189.5 l8b.4 184.3 ii12. I O.Oi790 619.1 b.197 !N.l 138.9 141.1 O.O:7OY 624.8 1lP.l 131.3 134.3 1Jb.b 0.01141 "!1<4 111.4 510.5 111.6 : 0.1437 0.14-3 6 1 1 . 1 I 0.1751 bl1.U ! U. 1197 6 1 1 . 5 10.1141 I 613.0 ! 0.i885 bl1.4 ¡ O.lV>O b!l,9 O.IPZ4 530.9 :10.* 113.7 iia.n bll.0 5J4.4 100.9 !11.J 610.5 319.7 537.9 5:; 3 515.9 <:1.7 511.8 540.0 IUl.4 :04.; IO.1392 b1V.Q 4.116: e*.(# 0.I)bb , 0.1>18 4 . m 3.813; i'0.1)Ou U:E LIP., 80.1 d1.J 84.b ohn. 1 6b: u 6IE.t 5,l.b ü.b!314 0.01539 0.01145 D.lOl1 i 544.8 5.3.1 141.4 7l.b 0.@975 - ~ 0 . I O b V I.1104 ~ Q . l i i l 1.2119 I . 1033 O.llbl 617.8 71.7 147.0 bb.1 18b.4 oIn.1 ' 8, $51. I ' >>I., 4.li'> 4.631' 151.0 158.3 163.7 Ib9.1 i74.8 118.0 >>Y.\ bI4.F yi:., ,.w/ C.bl5nF ZlI.9 bll.4 bl3 O 611.6 6!4.1 5b5. 8 >M:l lbl.7 U.Oll1J 111.0 147.9 103.3 bll.8 161. l >,p.: 340,4 l3b.l 98 I O0 101 II O 111 lld , !M.O i1.3 71.5 111.6 94 46 ~ 4 j,OlIl ' lb.1 160.6 l8b.b 101.7 Ql , 0.J24YI O.i'I117 ! U.JI48i 03.7 66 68 1 89.19 92.6b 96.11 99.91 0l.b 11.6 15.1 1o.o 53.1 I Ir, 551.9 I0.01468 I : (i.01414 O.?lb7S 48.21 S0.3b 51.59 j4.90 7.1U4 45.1 47.1 49.4 51.6 ~ 10 12 14 lb 18 34 ,rspm cibl:. IO 11 Ib - :mPUr. OF 011.9 bl4.0 0.11:l 0.>+74 i1.157b Tabla la.- Propiedades del amoniaco saturado ícontinuacic5n) 181 IO 20 I) 10 sa ba IW 1to I40 16U IEa 200 :Io 140 1M Tabla 2.- Propiedades del amoniacc Sobrecalentado. 182 Physical constants of MARLOTHERM L o W Y O U a C. W a m ul a m W o m r. Temperalure I *C 1 U I 3 I liquid pham 0 mbar Densily liquid phew P kgfd Specilic heal vapour phaaa 4kQim' liquid Dhas2 neat conten! 1042 1.38 1Q34 1.41 253 1o19 2 73 100.4 n e a t 31 vnpouv phase klikg LJIkg i- -- conauc. vapox i,quia IiGliid phaso Thermal ViSCOSil., vapc:iza!icn relorred lo o°C C WikgK 223 233 ,>rq 1' Wikg -73.2 pnare 1 10-1 P a s 200.0 " iü-+n,l$ phnso 1 IO-SP! I tivity liquid phaso 1 vtrm K Piand:~ nUmb3: liquid DhaIe Pi -_ - 192.0 0.141 1929 76.0 73.5 O. 140 760 - 303 18.3 18.0 0.137 196 1.55 O 7.5 7.5 0.135 88 - 59.3 1.48 293 988 1.52 31.6 3.9 4.0 0.131 313 973 1.Ea 64.6 2.5 2.9 0.129 333 958 1.75 98.9 1 .? 1.8 c.. i 27 353 943 1.3 . 1.3 1.4 G.124 0.82 0.121 16 6.00 8.2 19 171.5 8.6 0.liS :3 0.77 9.1 I? O.% 0.66 0.1 I 4 :1 0.50 0.58 9.6 C.116 13.0 1.82 1.88 . . 513.e ?%.e 927 393 1 3 u7 0.014 912 0.037 1.95 54s.- 2rw.e 413 16 897 0.093 502 5i6.6 249.5 433 35 881 0.19 9-08 611.3 256.5 453 67 865 215 64i.7 332.9 133 850 0.38 9-22 rnE.2 1.35 725.3 m.4 1.es 229 2.35 769.0 2.e9 2.42 788 d.25 6.15 373 473 m Vapour prearure c33 5!3 533 5 52 573 5.3 C, 13 c.53 227 ?es 620 953 1.10: i cm 2773 3513 035 820 773 i 58 743 728 O.% Y o,; Y - 12.' . c i 4 J '. 376.5 0.69 0.45 1.1 0.111 c.52 10.5 o. irm 0.29 Cd i 11.0 ~.m6 567.9 0.35 G.43 11.5 1i3.4 515.6 e5?i 5a.7 0.L') 12.! 249 0.32 2.55 j27 5 c:5u 225 2c: :3.0 957 7 EGG ?. O.?j I:.:> 13.5 2.59 1U105 7 I%? 1j.Z 2.,5 irb<.;3 I:: 93 J 421.6 2 c 22 5 2; c :; IO57 :2:) 12.6 o. 131 o. 1 LW 0 %)a 9.35 .... 47 32 24 97 88 85 8C 78 73 72 ,i . - L 72 14.0 :.Le3 71 1: . i c1:? -: I Tabla 4.- Factores de c o n v e r s i h y constantes. 184 M = 3.281 pie Pic: = 0.0929 m' M; = : 10.76pie' Prcsih Atn hlm Atm = 33.93 pies dc a a u n a 60°F = 29.92 pig H g i132'F x 760mmH~a.';2'F A m = 1 . 1 . E S ib/plpl Aim = 2 I lG.R ih.'pic' Atni = 1.033 kg:cm' Pies de agua a 60°F = 0.4331 Ib/plp Pig de agua a CO'F y:. 0.361 ib/pig',! K g i c i l l r = 14.223 Ib/IJb'. Psi = 2.309 Plcs de agua a fi0.F Temperatura: Ternwrafura " C = ${,!'P - 32) lempratura 'F =(I!$( T ) . t 32) Temperatura "F absoluta ( "R ) = 'I? + 460 Temperatura "Cabsoluta ( O K ) 7 "C + 273 Conductividnd Lemicri; Bm, (b ) ( pier) ( " F / p i e ) = 12 Rtu/( b ) (pie.) ("b'/pia! Blu/(h)ípie:')! i;/pic) = 1.49 k g c n l / ( h : i m ~ ) ( T / m ) Btu/(h)(pic-):"l.'/pir!, = O , O i 7 9 w n t t i / ( c r r i i ) ( " C , ' ~J1 ~ VisCosi&C (faciores xlicionai<:a cnfdn conlcriidos en !a Flp 13' Poise :: I q ' i c m j l s c g ) Ccntipoiac :: 0.01 íK>ISC Ccr:tipoise .- 2:12 ib/(pie!(h) Peru. I,¡> = 0.4536: i;:. I,h .= 7 O00 granos Tonelada (con2 u rieia) =: 2 O00 Ih Tondada (larga) .: '2 N ü Ib ?melada (1nEiñc3) :: 2 2F3 ih Tonriada (nirt;icn) :: 1 O00 ke Consfanus: ,\i:clrraciói; de la Fravcdñd Y : 32.2 pies/seax Aci.leraciónd~13 Kr:ivedad :I 4.18 X 10" pies;h:' Densidad d d agua = $2.5 Ih.'ple' Tabla 4a.- Factores de conversiún y constantes ícontinuaci6ni. 185 DOCUMENTO No.1 186 APPLICATION AND DESIGN ESTIMATING - DOUBLE PIPE AND MULTlTUBE HA1RPlN EXCHANGERS A. When should a double pipe or multitube hairpin be considered? 1. When the UA product is less than 100,000. Q = LMTD4I.A Q = BTU/Hr (Duty) UA = Q/LMTD LMTD = "F' A = Sq. Ft. (Surface) U = BTU/Hr."F.Sq. Ft. (Rate) 'Log Mean Temp. Dill. 2. When the UA product is greater than 100,000 and one or more of the conditions listed under " 3 and " 4 below are present: 3. The followin conditions further enhance the advanta es of doube pipe exchangers: a)%hen you have a temperature cross. b) When you have high pressures. Standard "off-the. shelf'components are available to 5000 psi tube ' side design pressure. c) When the plot plan allows the use of relatively long exchangers-standard double pipes are available up to 40' long. d) When the heat transfer rate o n the shell (fin) side 1s much lower than the tube side, fintubes should be considered. e) When you have a high viscosity fluid. 1) When you have a temperature difference above 400'F. Single pass, true countercurrent flow and U-tube construction eliminates tube sheet warping and differential expansion problems. 4. When any of the following are considered advantages: a) Rush dellvery re uired-double pipe components are kept in stock. &stom designed unitscan be assembled from stock material. b) Ease of maintenance-D.P. units are easy to clean, inspect and to replace the elements, bundles or parts. c) Modular deslgn allows for tne "001-on' aodil on o1 sect ons to meet L u r e process requ.remenls d) Slandardizatlon of parts w 11 red-ce spare parts ana warehoase inventory. Off the sne f replace ments are available for qu ck delivery B. Ball park selection of double pipe and multitube hairpin exchangers. UA product (from "A. 1,") 1. UA > 180,000 2. UA > 100,000 3. UA > 50,000 and < 100.000 4. uñ > 20;ooo and < 50,000 5. UA < 20,000 General Size Range 16"MT.orseveral 1 2 M T 1 2 MT or several WMT 1 2 MT, one or more 8" MT or several 6 MT 6 MT, one or more 4 MT or double pipes 4 MT or double pipes Example: Cool 80 GPM (40,000 #/Hr) boiler biowdown water from 155'Fto 105°F Usin 100 GPM (50,000 #/Hr) cooling water in at 70F, out al ,,no2 , ,- . Duty (0) = 2,000,000 BTUiHr LMTD: .Hot 155 105 70 Cold 110 . Fig. 1: Heat transfer rates (Uo). With water for cooling or steam for heating these are estimated values for preliminary study only. Estimated Overall Rates "UO" Process Heating viscous materials Double pipe-cut 8 twist fins Multitube bare tubes 12 15 Medium HC viscosity 3 to 15 cp avg. Heating-Doublepipe w/fins Multitube bare tube Cooling-Double pipe w/fins Muititube bare tube 15 25 12 20 Light HC viscosity c 1 cp Double pipe wifins Multitube w/fins Multilube bare tube 25 40 75 Condensing 8, vaporizing-bare tube 150 Very light HC-baretubes 150 Gases O PSlG w/% psi JP 100 PSlG w / l DSi JP 1 bare tube fin tube 25 15 Water to water-bare tubes Glycol to glycol 200 Double pipe wifins Multitube bare tube w/turbulators 10 30 Manf lactors effect heat transfer rates tor example velocity. tube wai temperature and pressure drop Tnese rates listed do not represent the i m t , but are suggested values lor study and eslimating. Fig. 2: Heat transfer surface Listed below are surfaces for each standard design for 20' nominal length. Surfaces for other lengths are proportional lo the nominal length. Std. Type (Size) Unit 80(2 x 1) Double Pipe Bare Tube Surface Sq. Ft. Finned Tube Surface Sq. Ft. 10.9 78 -- E l ( 3 x I) Double Pipe 10.9 144 51(3 x l'%) Double Pipe 20.8 141 53(4 x i'%) Double Pipe 20.8 261 LMTD (from Fig. 5) = 39.8"F U A = - - a - 2,000.000 = 50,250 LMTD 39.8 Uo (from Fig. I)= 200 84(4 x 2) Double Pipe 26.1 224 54(4 x 2%) Double Pipe 31.6 191 04 (4") 75 (79.) 263 06 (6) Multitube 180 (252.) O8 (8') Multitube A t , T 5 At,= -= 50'250 - 251 Sq. Ft 200 Estimated size exchanger required: For surface area (from Fig. 2): 6 x 20' Muititube í r r 252so 11. ... For flow rate (lrom Fig. 3): 6 (Seg.) , . Select larger of the two: Design estimate: (1) 6 Multitube x 2 0 ' 0 nom. length mullilube. Model numbor (irom üullotin R-30.1) (1) üG740Mln-AAA Area Required = u0 Multitube to ( t o ) Multitube 12 ( 1 2 ) Multitube 342(455.) 534 (721.) . .. 912(1t40.) 16 ( 1 6 ) Multitube 1556(1886.) ' . Areasin"( ~)"are"Lok-Flange"lubccount. 424. ' 840 - .I . Fig. 3: Flow Quantity. - Type Section (Shell Size) 51 ( 3 ) 53 (4") 54 (4") 80 ( 2 ) 81 ( 3 ) 82 ( 3 % ' ) 83 (3%") 84 (4) 85 ( 5 ) I c i Shell Side Flow ____ #,Hr 30.000 60,000 40.000 11,000 41,000 61.500 55,000 35,000 64.500 1. Flows based on water a l 6 FPS veiocily tubeside and 4 FPS shellside. Pressure drops are 10 PSI or less lor singie 20'4" section. 2. Bare tube designs. Type Section (Baflle Type) o4 (LPD) 04 (SEG) 05 (LPD) 05 (SEG) 06 (LPD) O6 (SEG) O8 (LPD) O8 (SEG) 10 (LPD) 10 (SEG) 12 (LPD) 12 (SEG) 16 (LPD) 16 (SEG) #iHr. 31.500 16,500 52.500 28,500 77.500 42,500 133,000 75.000 243.000 155.500 306,000 137.500 393,000 170,000 Shell Side Floiv i (GPMi Tube Side Flow - I Fig. 4: Effect on flow quantity on transfer rate and pressure drop. 1. In iurbulent flow, heal lransler varies with the 0.8 power oflhe flow while pressure drop varies wilh the square Doubling the flow will increase the rate 75% and pressure drop 4 times. 2. In viscous flow heat transfer varies wilh the Y.:$ power 01 the flow while pressure drop varies directly. Doubling the llo\v increases the transfer rate 25% and doubles the pressure drop. 3. The following chart gives rule-of-thumb values lo: the effect of flow quantity on heat.transfer rale and pressuse drop; and the use of mechanical adaptations: ff (63) (33) ( 1 05) (57) ('55) (85) (266) (150) (4'86) í231) 1612) (275) (786) (340) J Hr. 22,500 22.500 35.000 35,000 55.000 55,000 105,000 105,000 170,500 170.500 (210) (341) (341). 273,000 469,000 469.000 (9381 (938) (45) (70) (110) (110) (210) 273.000 (546) (546) Pressure Drop Flow Turbuienl-double the llow = Viscous-double Ihe flow = 4x 2x Cui 8 twist lins VlSCOUS llow Turbulent llow 1.75 I 1.25~ 4r 2* No Advantage ~_ Cores __ - 1.4x 2> No Advantage Tubuiators viscous flow Tutbuient flow ...viscous flow Tuibulent flow -. Trawler Rate __-.- 5. 2. No Advantage _ At1 tpoo 800 700 I I 600 7 i 1 aoo j - .o0 -_ a00 100 - 100 7loo - .o - 80 - 70 - 60 10 TO so - 80 10 - 80 - to =P - 0 - . e a - 7 3 - 1 At1 FIG. 5 Att = Either terminal temperature diflerence AI, = Other terminal temperature difference LMTO = Logarithmic. mean temperature difference At2 Log mean temperalure difference (no1lo be used when one Iermmai dinerence exceeds 3ü times (he other). BROWN FI,NTUBE COMPANY PO. Box 40082 Houston, T e x a s 7 7 2 4 0 - 0 0 8 2 * T e l e x 76-2528 12602 FM 528 * Hoiisioii, Texas 7 7 0 4 1 7 1 3 - 4 6 6 - 3 5 3 5 FAX 7 i 3 - 4 6 6 . 3 7 0 1 Box 40082 -Houstori T X 772.10 * (113) 466 3533 * F A X (713) 4 6 6 3701 Telex 762 GENERAL SPECIFICATIONS FOR TYPES 51,53,54,tio, 81,82,83,a 8 4 DOUBLE PIPE HEAT EXCHANGERS INTERNAL SPLIT P / N G DESIGN I. GENERAL 1-1 Scooe 1-1 O1 This specilication coveis the design and fabrication lor Hairpin Heat Exchangers classed as 'Manufacturers Standard For nozzle sizes. desiqn " conditions and special requirements o1 job. see Brown Fintube speciíicalion sheet. lf.lhe Brown íinlube individual job specilication conllicts with general specification. the lormer will govern. 1-1.02 All exchangers aie ASME code stamped (Secl. V l l l Div. I) 8 National Board registered. 2. DESIGN 2 - 1 Vents. Drains.and Instrument Connections 2.1 .O1 Due to the compact design o1 these exchangers, these connections are not furnished as manulaclurers standard We recommend these connections be placed in the plant piping. 2-2 Welding 2-2.01 The illustration above o1 a typical exchanger depicts the type 01 weld joints used on standard sections. 2 2 o2 Ai cxoori w e u.e o tig stiai c? cui 1' 2 , lne sem -.?Ao'nalic qas - (neta a