TÓPICOS DE DISEÑO DE REFRIGERADORES DOMÉSTICOS

OPERANDO CON HIDROCARBUROS

Ing. Rubén D. Llanes M. rllanesm@ucentral.edu.co

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.

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- 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.

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- 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.

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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

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Función del refrigerante:

Absover, transportar y rechazar cargas de calor entre el espacio refrigerado y el medio ambiente.

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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.

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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

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- 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

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- 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

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4. DISEÑO TÉRMICO

Refrigeración doméstica con hidrocarburos

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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

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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, mktembraco@embraco.com.br

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.

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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

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REFRIGERANTE ODP GWP

(Respecto a CO2 = 1)

R12 1.0 8500

R134a 0 1300

R600a 0 11

R600 0 11

R290 0 11

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