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TÓPICOS DE DISEÑO DE REFRIGERADORES DOMÉSTICOS
OPERANDO CON HIDROCARBUROS
Ing. Rubén D. Llanes M. [email protected]
1. Necesidad2. Selección del refrigerante3. Determinación de cargas de calor4. Diseño térmico 5. Selección de componentes6. Tips
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
1. NECESIDAD: Consumo de energía eléctrica por refrigeración en Colombia y emisiones contaminantes asociadas al consumo
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
SECTOR CONSUMO (%)
RESIDENCIAL 43
COMERCIAL 18
INDUSTRIAL 31
OFICIAL 4
ALUMBRADO PUBLICO
3
OTROS 1
TABLA 1 .Consumo de energía eléctrica en Colombia por sector
ESTRATO GWH/añoCrecimiento
por año desde 2002
(%)
1 3877.4 10.252 6097.7 4.903 4504.0 0.974 1517.0 1.375 857.4 1.426 753.9 1.45TOTAL: 17607.0
TABLA 2 .Consumo de energía eléctrica en Colombia por estrato socioeconómico.
Fuente: UPME, Determinación del consumo final de energía en los sectores residencial urbano y comercial y determinación de consumos para equipos domésticos de energía eléctrica y gas. 2006.
Consumo de Energía Eléctrica por Refrigeración y Aire Acondicionado en
Colombia.
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
- En promedio, el consumo de energía eléctrica en Colombia por refrigeración y aire acondicionado es del 50 %. (7200 GWH / Año). SECTOR RESIDENCIAL.
- En el SECTOR COMERCIAL de pequeños comercios (cafeterías, cigarrerías , carnicerías, heladerías, etc.) el consumo promedio es de 75%.
- Los estratos residenciales 1 y 2 y los pequeños comercios son los mas grandes consumidores de energía eléctrica para refrigeración y aire acondicionado.
Emisiones de CO2 asociadas al uso de la energía eléctrica por refrigeración en
Colombia.
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
- En promedio la emisión de gas de efecto invernadero de plantas térmicas en Colombia es de 1 Kg. CO2 / KWH.
- 7200 GWH / Año = 7´200.000 TON CO2 / Año
NECESIDADES DE LOS EQUIPOS DE FRÍO.
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
Dado el significativo consumo de energía y las emisiones asociadas al mismo, surge la necesidad de desarrollar tecnologías de frío con USO RACIONAL DE ENERGÍA Y CUIDADO AMBIENTAL, que le permitan a estos sectores, aumentar sus ingresos y disminuir emisiones contaminantes optimizando la operación de sus sistemas de frío.
2. SELECCIÓN DEL REFRIGERANTE
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
Función del refrigerante:
Absover, transportar y rechazar cargas de calor entre el espacio refrigerado y el medio ambiente.
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
Características deseables del refrigerante:- Energéticas: Alto hfg a una Presión alta en el evaporador y baja en el condensador mejor COP Y EER.
- Ambientales: Bajo PCG y bajo PAO .
- Seguridad: toxicidad, corrosividad, estabilidad química, flamabilidad (BS EN378 sección primera).
- Económicas: ($ /KJ) o ($/BTU). Costo de la energía usada.
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
REFRIGERANTEEVAPORACION (T = -20 C ) CONDENSACION (T= 50 C )
PAO (CFC-12 =1)
GWP(CO2=1)
Relación de presiones
Presión(lb/pul2)
Hfg(Btu/Lb)
Presión(lb/pul2)
Hfg(Btu/Lb
CFC-12 o R- 12 21.9 69.17 176.9 52.23 1 8500 8.07
HFC134a o R- 134a 20.1 91.28 191.2 65.38 0 1300 9.51
HidrocarburoHC 12ª(R600a + R290)
23.9 153.8 151.15 122.47 0 Menor a 3 6.33
TABLA 3: Comparativo energético – ambiental de refrigerantes sintéticos vs. Hidrocarburo HC 12 a.
Fuente: Gordon Van Wylen y Northcutt
3. CARGAS DE CALOR:
Las cargas de calor tienen tres componentes:
- Carga del producto: sensibles y latentes.
- Infiltraciones por radiación y convección.
- Misceláneas.
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
Tomando como modelo un refrigerador doméstico representativo de 9 pies cúbicos, se tendría:
- Carga del producto: Congelamiento de 16 Kg. de agua en 24 horas , dT = 30 °C
Q1=16Kg/24 h*4.22 Kj/Kg- °C * 30 °C = 23 w
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
- Infiltraciones por radiación y convección : tomando una temperatura del entorno T1, de 32 °C, una temperatura superficial T2 del gabinete de 18 °C, un coeficiente h de 2 w/m2- °c , una emisividad e medida de 0.1 y un área exterior del gabinete de 5.5 M2 (2*0.6*0.6 M) se tiene:
- Q2 = h*A * (T1– T2) = 154 w (convección)
- Q3 = e*A*Keb*(T1E+4 - T2E+4) = 46 w (radiación)
- Q Radiación + convección = 200 w
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
- Cargas miscelaneas:Según ASHRAE Handbook of refrigeration, cap 48 fig. 2 las infiltraciones por radiación y convección representan aprox. un 52% (200w) y:
a. 6% motor ventilador = 23 wb. 6% calentador de deshielo = 23 wc. 30% infiltraciones de aire = 115 wd. 6% calentamiento externo = 23 w
Q cargas miscelaneas = 184 w
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Total cargas de calor:
407 w
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
4. DISEÑO TÉRMICO
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
50 °C
-20°C
1
23
4
3
4
Ciclo teórico refrigerante hidrocarburo HC12a (50%/ 50% R600a Y R290):
Propiedades termodinámicas del ciclo:
- h1 = 510.9 Kj/Kg- h2 = 600.5 Kj/Kg- h3 = 329.7 Kj/Kg- h4 = 329.7 Kj/Kg- v1 = 0.24 m3/kg- s1 = 2.21 Kj/Kg°K
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
Índices de operación:- Capacidad del evaporador: QL = Mr (h1 – h4) = 0.407 KW = 0.115 T.R. = 1389 BTU/h Mr = 0.0022 Kg/s = 7.92 Kg/h- Capacidad del condensador: Qh = Mr (h2 – h3) = 0.655 KW
- Potencia del compresor: Wc = Mr (h2 – h1) = 0.197 KW = 0.26 HP
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Índices de operación:- Coeficiente de operación: COP = QL/Wc = 2.06
- Energy Eficiency Ratio EER = QL (BTU/h)/ Wc (w) = 7.05 BTU/wh
- Caudal del compresor:: Vc = Mr * v1 = 0.00052 M3/s = 1.1 CFM
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4. SELECCIÓN DE COMPONENTES
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Compresor.Embraco EM190UEXLubricante ISO 32 , Aceite ALKALOBENZENO¼ HPCapacidad de enfriamiento: 947 BTU/hConsumo : 203 wCorriente : 3 A
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Capilar:- Función: Control de caudal (Mr) y caída de presión- Tamaño ( DIAMETRO Y LONGITUD) depende de T evap., T cond., T gab. , modelo de compresor. Consultar : www.embraco.com.br, [email protected]
Por ejemplo: T. evap = -28°C ; T cond = 54°C; Mr = 4.37 Kg/h Diámetro = 0.7 mm Cálculo de perdidas Longitud = 1.78 a 1.95 m
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Intercambiadores:Áreas Similares a R22 ó R404aVelocidades del refrigerante = 3 a 5 m/sPresiones, según EN 60335: 87 Bar (alta) y 36.8 Bar (baja)
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Filtros desecantes:
Zeolita tipo 3 A , tamiz XH9 , XH 11
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Seguridad eléctrica:
Según Normas EN368, DIN 7003, BS 4344, etc.
Objetivo : separar o aislar las cámaras que contienen HC´s de los elementos eléctricos Termostatos, ventiladores, interruptores, etc.
En general la regla es: 8grm HC´s 1 M3 (habitáculo)
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6. TIPS- Refrigeradores inteligentes de velocidad variable en función de dT ambiente – condensador. Rportan ahorros del 30% en energía.
- Inclinación del condensador: Ángulo positivo de 6° reporta ahorros de 10% en energía.
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
GRACIAS… y recuerde que el planeta es responsabilidad
de todos.
REFRIGERANTE
LEL(% volumen)
UEL(% volumen)
TEMPERATURA DE IGNICIÓN
(ºC/ºF)
R12 No flamable No flamable ----
R134a No flamable No flamable ----
R600 1.9 8.5 460 / 860
R600a 1.9 8.5 365 / 689
R290 2.2 9.5 470 / 878
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REFRIGERANTE NOMBRE QUÍMICOFORMULAMOLECULA
R
PRESIÓN
CRITICA(Mpa)
TEMPERATURA CRITICA
(ºC/ºF)
PUNTO DE EBULLICIÓN
(1 atm)(ºC/ºF)
R12 Diclorodifluorometano CCL2F2 4.11 111.8/233 -29.8/-21
R134a Tetrafluoroetano CF3CH2F 4.06 101.1/213 -26.4/-15
R600a Isobutano CH(CH3)3 3.65 135 / 275 -11.7 / 11
R600 Butano C4H10 3.80 152 / 305 -0.5 / 31
R290 Propano C3H8 4.25 96.8 / 206 -42.1 / -43
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
REFRIGERANTE ODP GWP
(Respecto a CO2 = 1)
R12 1.0 8500
R134a 0 1300
R600a 0 11
R600 0 11
R290 0 11
Refrigeración doméstica con hidrocarburos