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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MORELIA DIVISIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES INGENIERÍA MECÁNICA REFRIGERACIÓN Y AIRE ACONDICIONADO

CÁMARA DE REFRIGERACIÓN PARA CERVEZA EMBOTELLADA

PRESENTA: CHRISTOPHER DAMIÁN SOTO JASSO

ASESOR: M.C. MIGUEL VALDOVINOS LOMBERA

MORELIA, MICHOACÁN

Diciembre de 2019

REQUERIMIENTOS DE LA CÁMARA DE REFRIGERACIÓN Se requiere una cámara de refrigeración para la conservación y almacenamiento de cerveza embotellada. La ubicación geográfica es en Morelia Michoacán, esto debido a la alta demanda de cerveza a nivel mundial y debido a que se están abriendo demasiadas locaciones para la venta de cerveza. El municipio cuenta con el clima típico, por lo que su temperatura promedio durante el año es de aproximadamente 23°C. La capacidad requerida para la cámara es de 256 kg, los cuales serán introducidos en un día a la cámara para ser almacenados por un periodo aproximado de 30 días y posteriormente serán vendidos, y en consecuencia la cámara será llenada con producto nuevo. La refrigeración se llevará a cabo a la temperatura recomendada para la conservación de la cerveza que es de 3°C. Además, se considerará una temperatura promedio de 23°C para el exterior de la cámara. La cámara deberá tener por lo menos una entrada que permita la entrada y salida del personal, y espacio suficiente para el transito de los empleados y/o clientes. CONDICIONES DE ALMACENAMIENTO La capacidad de almacenamiento de la cámara será de 256 kg cada 30 días. La manera de almacenar las cervezas será mediante estantes y los cartones donde vendría el producto y apiladas estas una encima de la otra. Los estantes a utilizar son de acero galvanizado que forman la estructura para posicionar las botellas. Este estante varía las dimensiones, pero las que se necesitarán serán con dimensiones de 50 X 70 X 190 cm. El volumen que ocupa este estante es de 0.665 metros cúbicos, pero también debe considerarse la distancia entre niveles para un manejo apropiado del producto y un espacio con respecto a la pared para asegurar una circulación de aire que permita el mantenimiento de las condiciones de operación. En el caso del estante, la carga unitaria (peso de la carga que soporta) tiene como valor máximo 180 kg, el cual va a poder soportar de forma segura. Los cartones de cerveza para almacenamiento en cámaras frigoríficas tienen mismas dimensiones para botellas con un contenido de 355 ml para las tipo claras y oscuras. Las dimensiones externas de los cartones a almacenar son de 26 cm de ancho X 40 cm de largo X 25 cm de altura. Con estas medidas se pueden colocar 5 cajas una sobre otra. Cada caja contiene 24 botellas de cerveza y en el estante se posicionarán alrededor de

490 botellas de cerveza y se tendrán 15 cartones en 3 columnas de 5 y una sobre otra. Entonces si se desea almacenar aproximadamente 256 kg de cerveza embotellada serán necesarios 1 estante y 3 columnas de 5 cartones encimados. DISEÑO DE LA CÁMARA A continuación, se presentan esquemas con las dimensiones de la cámara:

Ilustración 1 Vista Superior de Cámara de Refrigeración (Diseño en SolidWorks, dimensiones en mm)

Ilustración 2 Vista Superior Externa de la Cámara (dimensiones en mm)

Ilustración 3 Vista Lateral de la Cámara (dimensiones en mm)

Ilustración 4 Vista Frontal de la Cámara (dimensiones en mm)

CÁLCULO DEL ESPESOR DE LAS PAREDES Las paredes en las cámaras de refrigeración suelen ser de materiales como el poliestireno o el poliuretano, ya que estos materiales son excelentes aislantes de calor por conducción, que es lo que se desea en este tipo de aplicación. Para este caso se utilizarán paredes de poliuretano.

El calculo del espesor de la pared depende del material de la pared misma. Para el poliuretano expandido es una practica muy usada añadir 2.54 cm o 0.0254 m por cada 20°C de diferencia entre las temperaturas del exterior y el interior de la cámara para aplicaciones en aire acondicionado y refrigeración. Temperatura del ambiente: 23°C Temperatura de la cámara: 3°C Por lo tanto, la diferencia de temperatura es:

∆𝑇 = 23°𝐶 − 3°𝐶 = 20°𝐶

Ahora para el cálculo del espesor (L): 𝐿=

(𝑇,-.,/01/ − 𝑇02.,/01/ )(2.54) (23°𝐶 − 3°𝐶)(2.54) = 20 20

𝐿 = 2.547𝑐𝑚 El espesor obtenido es de 2.54 cm, sin embargo, el poliuretano expandido se comercializa a diferentes espesores definidos, según el fabricante y su aplicación. Para este caso se considera 1 capa de 2.54 cm de espesor. 𝐿,:,;0?//,/?@ = 𝐴 B F 𝑅

Donde: 𝐴7 = 7𝐴𝑟𝑒𝑎7𝑑𝑒7𝑙𝑎 7𝑏𝑎𝑟𝑟𝑒𝑟𝑎 7𝑎𝑛𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑎 𝑇, = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎7𝑑𝑒𝑙7𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑇0 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎7𝑑𝑒𝑙7𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝜆 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟7𝑑𝑒7𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛7𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟7(𝑇𝑎𝑏𝑙𝑎7𝐴. 1) 𝑅 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎7𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎

Para el cálculo de las resistencias se utilizará la ecuación:

1 𝐿^ 𝐿] 𝐿Z 𝐿\ 1 𝑅 =( )+( )+( )+( )+( )+( ) 𝑘^ 𝑘] 𝑘\ ℎ0 𝑘Z ℎ,

Donde: 𝐿Z , 𝐿\ , 𝐿] , 𝐿=^ Valor del espesor del material. 𝑘Z , 𝑘\ , 𝑘] , 𝑘=^ Conductividad térmica de cada material, de la tabla A.2 ℎ0 = Coeficiente de convección térmica para paredes interiores sin7movimiento de aire. ℎ, = Coeficiente de convección térmica para paredes exteriores expuestas a vientos `a hasta de 247 . b

Los valores de los coeficientes de convección térmica son directamente proporcionales a la rugosidad de la superficie involucrada y además su incremento es casi lineal con la velocidad del viento sobre la superficie. Sin embargo, como se menciona en el Manual de aire acondicionado de la Carrier Air Conditioning Company, pueden ser utilizados los valores aproximados para los e coeficientes de ℎ0 = 9.367 f de convección térmica para paredes interiores sin a g

movimiento de aire yℎ, = 34.057 f para paredes exteriores expuestas a vientos hasta a g

de 24

`a b/

.

e

Cálculo de carga por transferencia de calor a través de las paredes

POLIURETANO

La cámara contendrá cuatro paredes de los mismos materiales.

1 cm

12 cm

2.54 cm

1 cm

Los materiales en las paredes son: Valores de conductividad térmica para los materiales de las paredes: e∗ka • Ladrillo común de 12 cm de espesor:𝑘 = 71.877 a f g •

•

Aislante de placa de poliuretano expandido de 2.54 cm de espesor: 𝑘 = e∗ka 2.447 f a g

Aplanado de cemento de 2 cm de espesor : 𝑘 = 115.387

Ahora realizando el cálculo de la resistencia térmica se tiene: 𝑅=(

1

𝑊 9.367 \ 𝑚 𝐾

)+(

e∗ka

afg

1 2.547𝑐𝑚 127𝑐𝑚 27𝑐𝑚 )+( )+( )+( ) 𝑊 𝑊 ∗ 𝑐𝑚 𝑊 ∗ 𝑐𝑚 𝑊 ∗ 𝑐𝑚 34 . 05 7 2.447 71.877 115.387 \ 𝑚\ 𝐾 𝑚\ 𝐾 𝑚 𝐾 𝑚\ 𝐾 𝑅n?/,...