TÓPICOS DE DISEÑO DE
REFRIGERADORES DOMÉSTICOS
OPERANDO CON
HIDROCARBUROS
Ing. Rubén D. Llanes M.
[email protected]
1. Necesidad
2. Selección del refrigerante
3. Determinación de cargas de calor
4. Diseño térmico
5. Selección de componentes
6. Tips
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
1. NECESIDAD:
Consumo de energía
eléctrica por refrigeración
en Colombia y emisiones
contaminantes asociadas
al consumo
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
TABLA 1 .Consumo de energía
eléctrica en Colombia por sector
SECTOR
CONSUMO (%)
RESIDENCIAL
43
COMERCIAL
18
INDUSTRIAL
31
OFICIAL
4
ALUMBRADO
PUBLICO
3
OTROS
1
TABLA 2 .Consumo de energía eléctrica en
Colombia por estrato socioeconómico.
ESTRATO
GWH/año
1
2
3
4
5
6
TOTAL:
3877.4
6097.7
4504.0
1517.0
857.4
753.9
17607.0
Crecimiento
por año
desde 2002
(%)
10.25
4.90
0.97
1.37
1.42
1.45
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.
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
Consumo de Energía Eléctrica por
Refrigeración y Aire Acondicionado
en Colombia.
- 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.
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
Emisiones de CO2 asociadas al uso
de la energía eléctrica por
refrigeración en Colombia.
- 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
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
NECESIDADES DE LOS EQUIPOS
DE FRÍO.
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.
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
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
- Ambientales: Bajo
mejor COP Y EER.
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
TABLA 3: Comparativo energético – ambiental de refrigerantes sintéticos vs.
Hidrocarburo HC 12 a.
EVAPORACION (T = -20 C )
CONDENSACION (T= 50 C )
REFRIGERANTE
PAO
(CFC-12 =1)
GWP
(CO2=1)
Relación
de
presiones
Presión
(lb/pul2)
Hfg
(Btu/Lb)
Presión
(lb/pul2)
Hfg
(Btu/Lb
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
Hidrocarburo
HC 12ª
(R600a + R290)
23.9
153.8
151.15
122.47
0
Menor a 3
6.33
CFC-12
o R- 12
Fuente: Gordon Van Wylen y Northcutt
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
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
=
b. 6% calentador de deshielo =
c. 30% infiltraciones de aire =
d. 6% calentamiento externo =
23
23
115
23
w
w
w
w
Q cargas miscelaneas = 184 w
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
Total cargas de calor:
407 w
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
4. DISEÑO TÉRMICO
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
Ciclo teórico refrigerante hidrocarburo HC12a
(50%/ 50% R600a Y R290):
3
2
1
4
50 °C
-20°C
3
4
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
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
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
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
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
4. SELECCIÓN DE COMPONENTES
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
Compresor.
Embraco EM190UEX
Lubricante ISO 32 , Aceite ALKALOBENZENO
¼ HP
Capacidad de enfriamiento: 947 BTU/h
Consumo : 203 w
Corriente : 3 A
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
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
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
Intercambiadores:
Áreas Similares a R22 ó R404a
Velocidades del refrigerante = 3 a 5 m/s
Presiones, según EN 60335: 87 Bar (alta) y 36.8 Bar
(baja)
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
Filtros desecantes:
Zeolita tipo 3 A , tamiz XH9 , XH 11
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
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
(habitáculo)
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
1 M3
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
REFRIGERAN
TE
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
Refrigeración doméstica con hidrocarburos
PRESIÓN
CRITICA
(Mpa)
TEMPERATURA
CRITICA
(ºC/ºF)
PUNTO DE
EBULLICIÓN
(1 atm)(ºC/ºF)
REFRIGERANTE
NOMBRE QUÍMICO
FORMULA
MOLECULAR
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
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por refrigeración y aire acondicionado