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

RESIDENCIAL COMERCIAL INDUSTRIAL OFICIAL ALUMBRADO PUBLICO OTROS

CONSUMO (%)

43 18 31 4 3 1 TABLA 2 .Consumo de energía eléctrica en Colombia por estrato socioeconómico.

ESTRATO GWH/año Crecimiento por año

1 2 3 4 5 6 TOTAL: 3877.4

6097.7

4504.0

1517.0

857.4

753.9

17607.0

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.

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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.

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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.

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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.

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Características deseables del refrigerante:

Energéticas : Alto

h

fg 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.

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TABLA 3: Comparativo energético – ambiental de refrigerantes sintéticos vs.

Hidrocarburo HC 12 a.

REFRIGERANTE EVAPORACION

(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

Hidrocarburo HC 12 ª (R600a + R290) 23.9

91.28

153.8

191.2

151.15

65.38

122.47

0

0

1300 9.51

Menor a 3 6.33

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.

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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 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 w b. 6% calentador de deshielo = 23 w c. 30% infiltraciones de aire = 115 w d. 6% calentamiento externo = 23 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 1 2 50 °C 3 4 -20°C 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

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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) 1 M3 Refrigeración doméstica con hidrocarburos

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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Refrigeración doméstica con hidrocarburos

REFRIGERAN TE LEL (% volumen) UEL (% volumen)

R12 R134a R600 R600a R290 No flamable No flamable 1.9

1.9

2.2

No flamable No flamable 8.5

8.5

9.5

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TEMPERATURA DE IGNICIÓN (ºC/ºF)

--- --- 460 / 860 365 / 689 470 / 878

REFRIGERANTE

R12

NOMBRE QUÍMICO

Diclorodifluorometano

FORMULA MOLECULAR PRESIÓN CRITICA (Mpa) TEMPERATURA CRITICA (ºC/ºF) PUNTO DE EBULLICIÓN (1 atm)(ºC/ºF)

CCL 2 F 2 4.11

111.8/233 -29.8/-21 R134a Tetrafluoroetano CF 3 CH 2 F 4.06

101.1/213 -26.4/-15 R600a R600 R290 Isobutano Butano Propano CH(CH 3 ) 3 C 4 H 10 C 3 H 8 3.65

3.80

4.25

135 / 275 152 / 305 96.8 / 206 -11.7 / 11 -0.5 / 31 -42.1 / -43 Refrigeración doméstica con hidrocarburos

REFRIGERANTE

R12 R134a R600a R600 R290

ODP

1.0

0 0 0 0

GWP (Respecto a CO2 = 1)

8500 1300 11 11 11 Refrigeración doméstica con hidrocarburos