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Refrigeración Industrial

 

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APLICACIONES

Aplicación # 1: industria lactea - calculo de calor de proceso

EJEMPLO  Dentro de su circuito de pasteurizado, una industria láctea debe enfriar en tres (3) horas aproximadamente 50,000 galones de leche (c. 190 m3/h) desde 75°F (23.9°C) hasta 40°F (4.4°C) . Se desea tener un estimativo del calor de proceso y esbozar posibles regímenes de trabajo alternativos pero en todos los casos limitando a solamente tres (3) horas el funcionamiento del pasteurizador.

El proceso de pasteurizado, sea leche, cerveza, pulpas, cremas ofrece un excelente marco para ilustrar una situación por su doble óptica de enfriamiento y refrigeración trabajando en tandem tan térmicamente didáctica como frecuente. Típicamente el producto se lleva a una temperatura de digamos 140°F (60°C) por un perído de 30 minutos tras lo cual debe y es enfriado en una primera etapa con agua de torre de enfriamiento hasta digamos 80°F (27°C) y luego en una segunda etapa a una temperatura de producto del orden de 40°F (4.4°C) con refrigeración mecánica. Esta configuración ilustra el mejor trabajo en conjunto posible, esto es la torre de enfriamiento llevando adelante una primera etapa de gran "desbaste" térmico de manera de reducir lo más posible todos los costos asociados de la segunda etapa, esto es tanto porte de los equipos como consumos energéticos. Esta configuración mixta torre de enfriamiento/refrigeración mecánica es un clásico caballito de batalla de la industria. 

Suponiendo un calor específico de 0.95 y una gravedad específica de 1.032 (4% grasa) el calor a extraer resulta, factors de conversión mediante,

Q (btu/h) + 50,000 * 8.33 * 1.032 * 0.95 * (75 - 40) = 14,291,781 btu/h

Agregando un 10% para anticipar pérdidas y/o fugas el estimativo del calor absorbido en proceso resulta 

Q (btu/h) = 14,291,781 btu/h * 1.1 = 15,720,960 btu/h

Si se seleccionara un equipo que trabajara solamente el mismo lapso que el tope impuesto por el funcionamiento del pasteurizador, esto es trabajando solamente tres horas, la capacidad del compresor adecuado debería ser del orden de 

Q (tons) = 15,720,960 btu/h / ( 3 horas * 12,000 btu/h tons) = 437 tons (efecto frigorífico)

Si fuese posible emplear algún tipo de acumulador, sea reservorio de agua preenfriada o banco de hielo podría pensarse en un equipo de frío que funcionara digamos 10 horas por día. En este caso la capacidad del compresor adecuado sería

Q (tons) = 15,720,960 btu/h / ( 10 horas * 12,000 btu/h tons) = 131 tons (efecto frigorífico)

Será importante tener en cuenta cuidadosamente los pro/cons (ventajas y desventajas o sumas y restas energéticamente hablando) de los dos contextos de refrigeración notoriamente bien definidos, esto es una configuración que involucrará temperaturas de succión de digamos -10°C para la alternativa banco de hielo versus simplemente producción de agua helada a 1 o 2 °C.  Curiosamente un número de proponentes de bancos de hielo promueven simultáneamente condensadores evaporativos, en ambos casos fabricaciones con haz de tubos.  Con la disponiblidad contemporánea y mejoramientos notables tanto en equipos de frío como intercambiadores de todo tipo, incluyendo intercambiadores de calor suministrados en acero inoxidable crecientemente testimoniamos un considerable revisionismo técnico histórico en la especialidad y  el retorno en contextos de refrigeración industrial de las clásicas y demostradas configuraciones basadas en condensadores y torres de enfriamiento de agua versus la  por demás cuestionable alternativa de condensadores evaporativos (evaporación directa sobre tubos, derrumbe del orden de 45% del  intercambio térmico con apenas 1mm de incrustación) 

Resulta inmediata la conclusión de la gran recomendabilidad de procurar las mayores calificaciones/expertise posibles en toda instalación, sea del porte que sea, debido al gran número de matices usualmente presente que deben examinarse caso a caso de cada instalación. Es obvio que hay verdaderas oportunidades de valor agregado e incorporación de genuinos ahorros productivos "estructurales/perpetuos" que quedarán feliz o infelizmente consolidados para todo el ciclo de funcionamiento de la instalación. Después no hay variador de frecuencia, automatismo o fuente de energía alternativa que revierta el daño. Un buen ejemplo del valor del intangible de proceso, sea enfriamiento, refrigeración, aire acondicionado central.

 

Aplicación # 2: PEQUEñA PLANTA FAENADORA

EJEMPLO:     Una pequeña instalación frigorífica desea desea determinar el área de intercambio necesaria en condensadores para atender el parque de máquinas en el  contexto de operación según detalle

Capacity Planning
Parque de máquinas actual
kcal/hr chiller tons HP (nominal) o BHP Q heat reject (chiller tons * 12,000 + HP * 2545)
howden a tornillo (maquina #9) 675000 178.6 300 2906220 btu/h
madef reciprocante (maquina #8) 140000 37.0 100 698916 btu/h
howden a tornillo (maquina #1) 340000 89.9 125 1397421 btu/h
howden a tornillo (maquina #2) 340000 89.9 125 1397421 btu/h
mycom reciprocante (maquina #4) 300000 79.4 150 1334070 btu/h
madef reciprocante (maquina #3) 276000 73.0 150 1257884 btu/h
howden a tornillo (maquina #5) 420000 111.1 250 1969498 btu/h
howden a tornillo (maquina #6) 420000 111.1 250 1969498 btu/h
madef reciprocante (maquina #7) 92000 24.3 40 393844.8 btu/h
howden booster (maquina #10) 400000 105.8 200 1778760 btu/h
900.2 15103533 btu/h 3806334 kcal/h
Características de disipación de calor en el caso que fuesen condensadores tipo casco y tubo
Suponiendo temperatura de condensación recomendable sea 35°C (95°F)
Literatura de intercambiadores recomienda temperatura t1 = tc - 5°F = 95 - 5 = 90°F
Suponiendo un salto de temperatura preliminar de 7.5°F resulta el siguiente contexto para los condensadores
ingreso de agua 82.5 °F 28.1 ° Celsius
egreso de agua 90.0 °F 32.2 ° Celsius
condensación 95.0 °F 35.0 ° Celsius
Resultan los siguientes LMTDs:
unidades IP LMTD = 8.185
unidades SI LMTD = 4.547
caudal en el caso de condensadores casco y tubo, usando Q = gpm * 500 * range
gpm = 4027.6 U.S. GPM
IP SI units
estimacion de area de intercambio empleando la formula Q = U * LMTD * surface area U = 200 976
surface area (sq.ft.) = 9226.3 sq.ft. = 857.5 m2
verificacion
surface area (m2) = 857.7 m2 (o.k.)

APLICACION # 3: COSTOS DE OPERACION REFRIGERACION INDUSTRIAL

Si las instalaciones de aire acondicionado central y refrigeración industrial operasen bajo las pautas de buena práctica que dieron origen a las distintas especialidades, croncretamente temperaturas de condensación objetivo y actual lo más bajas posibles, la energía ahorrada sería mayor que la potencialmente producida por cualesquiera de las fuentes de energía alternativa actualmente consideradas.  No hemos encontrado a ninguna persona sea sector industrial, HVAC o institucional que negase nuestro aserto!!!

De manera similar al capacity planning ilustrado para instalaciones de aire acondicionado central, es posible establecer cuadros de operación comparativos, especialmente teniendo en cuenta que la instalación de refrigeración industrial típicamente está de servicio 365/7/24, al igual que probablemente la mayoría de las instalaciones industriales.

Sea una instalación "grande" o "chica" el impacto de penalización/sobreconsumo traducido en costos anuales en términos de decenas y centenas de miles de dólares es relativamente pavoroso.  La siguiente planilla muestra los perjuicios que se trasladan al bolsillo del usuario.

 

INSTALACION A
Temperatura Condensación 105 °F 40.6 °C 1.58 BHP/ton (15 kg/cm2)
Efecto Frigorífico 1200 tons (en evap) 1896 HPs 1415 kW (214 psig)
usd/kW h
365 24 12394746 kW h 0.2 2478949 u$s/year
Temperatura Condensación 95 °F 35 °C 1.37 BHP/ton (12.7 kg/cm2)
Efecto Frigorífico 1200 tons 1644 HPs 1227 kW (181 psig)
usd/kW h
365 24 10747343 kW h 0.2 2149469 u$s/year
Penalización 329481 u$s/year
INSTALACION B
Temperatura Condensación 105 °F 40.6 °C 1.58 BHP/ton (15 kg/cm2)
Efecto Frigorífico 220 tons 347.6 HPs 259 kW (214 psig)
usd/kW h
365 24 2272370 kW h 0.2 454474 u$s/year
Temperatura Condensación 95 °F 35 °C 1.37 BHP/ton (12.7 kg/cm2)
Efecto Frigorífico 220 tons 301.4 HPs 225 kW (181 psig)
usd/kW h
365 24 1970346 kW h 0.2 394069 u$s/year
Penalización 60405 u$s/year

   El perjuicio trasladado al usuario es varias veces cualquier monto de suministro/inversión honesta!!

 

Afortunadamente hoy es posible llevar adelante el capacity planning de cualquier instalación de refrigeración industrial, de manera de eliminar o al menos reducir estos pavorosos costos ocultos.  A la clásica recomendación de la industria, id est procurar trabajar con temperaturas/presión de condensación lo más bajas posibles, puede agregarse la recomendación inequívoca en todo sentido de la conversión/migración extremadamente sencilla de condensadores evaporativos existentes a configuraciones de condensadores (por ejemplo caso y tubo) y torre de enfriamiento.  

 

APLICACION # 4: PERDIDA DE CAPACIDAD DE CONDENSACION

Afortunadamente hoy es posible llevar adelante el capacity planning de cualquier instalación de refrigeración industrial, de manera de eliminar o al menos reducir estos pavorosos costos ocultos.  A la clásica recomendación de la industria, id est procurar trabajar con temperaturas/presión de condensación lo más bajas posibles, puede agregarse la recomendación inequívoca en todo sentido de la conversión/migración extremadamente sencilla de condensadores evaporativos existentes a configuraciones de condensadores (por ejemplo caso y tubo) y torre de enfriamiento.  

Amén de otras múltiples contraindicaciones,  el CAPACITY PLANNING DE UN CONDENSADOR EVAPORATIVO denuncia el terrible DERRUMBE TERMICO al poco tiempo por aumento en el espesor de la película de incrustación (evaporación directa sobre tubos al igual que una caldera de baja). Tan triste como gráfico: 

He aquí el detalle del cálculo, contundente (Nota técnica: es Newton con los coeficientes de diseño de los propios fabricantes originales).

 

EC Sizer B&B/CTI S.A.
Q 756049 kca/h 3000002 btu/h 880 kW
Twb 25 °C 77.0 °F C-1766
Tcondensing 35.72 °C 96.3 °F 1/10/13
chiller tons 200.0 tons (15k) 250 tons (12k) IF at 2.1 U.S. GPM per chiller ton
water flow 600.0 U.S. GPM at 3 GPM per chiller ton 486.0 U.S. GPM at 2.43
37.9 lps 30.7 lps
face area sq.ft. 100.0 sq.ft. at 6 gpm/sq.ft. 81.0 sq.ft. area (alt.)
tentative air flow 60000.0 CFM at typ. 600 fpm 101941 m3/h 48600.0 CFM (alt.)
l/g = 1.2
delta enthalpy 11.7 btu/lb Cálculo Condensador Evaporativo (R-717)
DERRUMBE DE CAPACIDAD
Hin 45.0 btu/lb
Hout = Hin + delta 56.7 btu/lb
Nótese el valor conservador en la elección
saturated air out at 88.7 °F del U de diseño, clásico dentro de los
fabricantes de buena escuela.
LMTD 12.6 °F 7.0 °C
U 100 cu.ft. 3/4" coil
required area 2388.4 sq.ft. 222.0 m2 2388.4 sq.ft. 37.3
+ 20% safety factor 2866.0 sq.ft. 266.4 m2 2866.0 sq.ft. 44.8
Q condensador espesor mm Efecto Frigorífico % capacidad
Capacidad Original 756049 kcal/h 0 200 chiller tons 100
Capacidad 0.8mm 551916 kcal/h 0.8 146 chiller tons 73
Capacidad 1mm 415827 kcal/h 1 110 chiller tons 55
Capacidad 2mm 287299 kcal/h 2 76 chiller tons 38
Capacidad 2mm & re. 244204 kcal/h 65 chiller tons 32

El perjuicio trasladado al usuario es varias veces cualquier monto de suministro/ inversión honesta!!

 

 

ASB

Willie

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