Diseño de marmita electrica PDF

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informe para la elaboración de una marmita eléctrica considerando los procesos de transferencia de calor...

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UNIVERSIDAD DE CARABOBO FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA DEPARTAMENTO DE TERMICA Y ENERGETICA TRANSFERENCIA DE CALOR BARBULA- CARABOBO

MARMITA ELECTRICA Profesor: Ing Luis Briceño

Estudiante: José Rojas CI: 21214606 Emmanuel Gómez CI: 22.009.079 Néstor Gualdron CI: 23793827

Junio de 2019

I.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En la industria alimenticia al momento de procesar alimentos mediante la cocción se utiliza una marmita que según sea el tipo de actividad, tendrá diferentes fuentes de alimentación calorífica. Cuando esta actividad es a pequeños volúmenes (como en restaurantes, comedores industriales, entre otros), lo más conveniente y practico es utilizar una marmita eléctrica. Básicamente una marmita eléctrica es un dispositivo cerrado, con volúmenes inferiores a los 1000lt, que emplea resistencia térmicas de calentamiento, estas se ponen en contacto con un fluido que se encuentra confinado entre las paredes de un cilindro que permite la cocción de los alimentos y la chaqueta que limita la estructura del equipo y que mediante la transferencia de calor por conducción y convección permite el procesamiento de los productos. Estos equipos, debido a su forma de calentamiento, requieren de grandes cantidades de potencia, para nuestro caso en particular el promedio para procesar 200 litros de producto es de 30kW, lo que represa un gasto económico en adecuación del sistema de alimentación eléctrico y un gasto en facturación del servicio, aunado a esto, gran parte de esta potencia se pierde por convección hacia el ambiente. Lo que nos lleva a preguntarnos, ¿Existe alguna forma de reducir la cantidad de potencia requerida para el accionamiento de una marmita eléctrica y de disminuir las pérdidas de calor hacia el ambiente con el fin de aprovechar mejor el calor suministrado por una resistencia de calentamiento hacia un fluido que cumple las veces de cilindro generador? II.

OBJETIVOS

Objetivo General

Diseñar una marmita eléctrica cuyas pérdidas de calor hacia el ambiente sean pequeñas y que permita reducir la potencia eléctrica requerida para su operatividad. Objetivos Específicos  



Estudiar los efectos del aislante PTFE- Extendido en la reducción de la perdida de calor hacia el ambiente en una marmita eléctrica Minimizar la perdida de calor hacia el ambiente con respecto a las marmita que se encuentran actualmente en el mercado al establecer la temperatura de la superficie exterior a 35 °C Reducir la potencia eléctrica requerida, con respecto a las marmitas que se encuentran en el mercado, para el procesamiento de alimentos en un cilindro de cocción que se desea mantener a 130°C

III.   





ALCANCE

Obtener una temperatura de 35°C en la superficie exterior de una marmita eléctrica para reducir los riesgos de quemaduras a los operarios. Minimizar las pérdidas de calor por convección en una marmita eléctrica. Reducir la potencia eléctrica necesaria para el funcionamiento de una marmita eléctrica con respecto a las que actualmente se encuentran en el mercado. IV. LIMITACIONES Algunos valores se encuentran limitados a las condiciones establecidas por los fabricantes de los catálogos consultados de las diferentes piezas que conforman el equipo diseñado. La potencia requerida calculada para este proyecto es en base a la glicerina, si se cambia el fluido de calentamiento la potencia requerida cambiara. V.

MARCO TEÓRICO

MATERIAL DE TRABAJO Los aceros inoxidables son aleaciones de hierro con un mínimo de un 10,5% de cromo. Sus características se obtienen mediante la formación de una película adherente e invisible de óxido de cromo. La aleación 304 es un acero inoxidable austenítico de uso general con una estructura cúbica de caras centradas. Es esencialmente no magnético en estado recocido y sólo puede endurecerse en frío. Su bajo contenido en carbono con respecto a la aleación 302 otorga una mejor resistencia a la corrosión en estructuras soldadas [1]. 1. Propiedades Eléctricas  Resistividad Eléctrica (µOhm/cm): 70-72 2. Propiedades Físicas  Densidad (g/cm-3): 7,93  Punto de Fusión (°C): 1400-1455 3. Propiedades Mecánicas  Alargamiento (%) 300 lb/pulg2. P = 1.1. Po.

Si Po ≤ 300 lb/pulg2. P = Po + 30 lb/pulg2.

Donde P es la presión de diseño, y Po es la presión de operación [2]. DISEÑO DE CARCAZAS O ENVOLVENTES Por Presión Interna. Esfuerzo Circunferencial: Cuando el espesor de la pared no sea mayor a la mitad del radio interno o cuando P no sea mayor a 0.385 SE:

t=

P∗R S∗E−0.6∗P

Esfuerzo Longitudinal: Cuando el espesor de la pared no sea mayor a la mitad del radio interno o cuando P no sea mayor a 1.25 SE: t=

P∗R 2∗S∗E−0.4∗P

Las ecuaciones anteriores son obtenidas de la sección VIII, división I (UG-27) del ASME, no toman en cuenta el efecto de la corrosión, y sus términos son [3]:     

t: Espesor mínimo de la pared (plg) P: Presión interna de diseño (lb/plg2) R: Radio interno de la carcasa (plg) S: Esfuerzo máximo permisible del material (lb/plg2) E: Eficiencia de la junta; para recipientes soldados, corresponde a la eficiencia de soldadura.

DISEÑO DE TAPAS

El diseño de tapas se hace se acuerdo a UG-32 y UG-33 del ASME, sección VIII, división I [3]. Por Presión Interna. Tapa Semielíptica. Este tipo de tapa tiene las características geométricas mostradas en la figura. El espesor se calcula por la ecuación:

P∗R 2∗S∗E−0.2∗P Siendo: t=

   

P: Presión interna de diseño (lb/plg2) D: Diámetro interior de la tapa (plg) S: Esfuerzo máximo permisible del material (lb/plg2) E: Eficiencia de la junta

Tapa Plana. Soldable. El espesor mínimo se calcula por la ecuación:

√

C∗P S∗ E Siendo:

t=d

 

C': Factor que depende del método de unión de la tapa, d: Diámetro de la tapa (plg).

CONDICIONES DE CONFORT El confort térmico es una sensación neutra de la persona respecto a un ambiente térmico determinado. Según la norma ISO 7730 el confort térmico “es una condición mental en la que se expresa la satisfacción con el ambiente térmico”. El confort térmico depende de varios parámetros globales externos, como la temperatura del aire, la velocidad del mismo y la humedad relativa, y otros específicos internos como la actividad física desarrollada, la cantidad de ropa o el metabolismo de cada individuo. Para llegar a la sensación de confort, el balance global de pérdidas y ganancias de calor debe ser nulo, conservando de esta forma nuestra temperatura normal, es decir cuando se alcanza el equilibrio térmico.

A continuación exponemos algunos intervalos de valor de los parámetros de confort externos que interactúan entre sí para la consecución del confort térmico y que se encuentran representados en las Cartas Bioclimáticas [4]:    

Temperatura del aire ambiente: entre 18 y 26 ºC Temperatura radiante media superficies del local: entre 18 y 26 ºC Velocidad del aire: entre 0 y 2 m/s Humedad relativa: entre el 40 y el 65.

QUEMADURAS TÉRMICAS Se ha demostrado que a partir de 40º C la piel presenta alteraciones. A medida que la temperatura se eleva, disminuye la resistencia tisular. Si la temperatura alcanza 70º C, se produce destrucción del tejido epidérmico con sólo una ligera exposición de aproximadamente un minuto. Estas quemaduras se originan por fuentes de calor que elevan la temperatura de la piel y de los tejidos subcutáneos. Tanto las llamas como los líquidos o gases a altas temperaturas pueden dañar el organismo [5]. AISLANTE TERMICO El PTFE Expandido son planchas fabricadas con fluoropolímero PTFE Politetrafluoretileno 100%, sin sintetizar, desarrolladas mediante un proceso especial, el cual produce una microestructura fibrilada, uniforme y multidireccional que ofrece una resistencia elevada a la deformación. Su finalidad es de Junta de Estanqueidad contra agentes agresivos y en aplicaciones alimentarias ya que este material es conforme a la FDA [6].  

Su rango de temperaturas es de -200 a +270ºC Su resistencia a la presión es de 200 bar



No es tóxico ni contaminante.



Es muy flexible, comprimible y suave.



Resistente a la fluencia en frío, al deslizamiento y a la presión.



No se rompe ni se pega al extraerlo.



Optima adaptación y solo requiere un suave atornillado en la brida.

La plancha de PTFE Expandido 600PL es conforme a la lista FDA (Food & Drug Administration) Código Federal de Regulación 21. Párrafo 177.1550 Propiedades Térmicas [7]  Calor Específico (J*K-1*kg-1): 1000 

Coeficiente de Expansión Térmica (x10-6 K-1):100-160



Conductividad Térmica a 23C (W*m-1*K-1): 0,25

Propiedades Físicas  Absorción de Agua - en 24 horas ( % ):0,01  Densidad (g*cm-3): 2,2  Índice de Oxígeno Límite ( % ): 95 OLLAS A PRESION Y SU FUNCIONAMIENTO La olla a presión,olla exprés o pitadora es un recipiente hermético para cocinar que puede alcanzar presiones más altas que la atmosférica. Debido a que el punto de ebullición del agua aumenta cuando se incrementa la presión, el cierre hermético de la olla permite subir la temperatura de ebullición por encima de 100 °C (212 °F), en concreto hasta unos 130 °C. Generalmente, se utiliza para conseguir en un período de tiempo más corto los mismos efectos del estofado o de la cocción a fuego lento. En contra de lo que se cree, en el interior de una olla a presión el agua no llega nunca a hervir. Lo que acelera la cocción es el simple incremento de la temperatura del agua.Las condiciones de presión y temperatura en el interior de la olla a presión (1→2) impiden la ebullición del líquido, salvo si se enfría rápidamente el vapor de agua provocando un rápido descenso de la presión (2→3). Si se observa el diagrama de la figura, la ebullición se logrará siempre y cuando se consiga atravesar la denominada "línea de cambio de estado", la que separa las zonas de líquido (L) y gas (G) en el diagrama termodinámico. Sin embargo, cuando se cierra la tapa de la olla la mayoría del gas contenido en su interior será aire, no vapor de agua, de modo que en todo momento la presión en el interior será la suma de la debida al vapor de agua, cuya cantidad se va incrementando por efecto de la evaporación a medida que aumenta la temperatura, y al aire, a cuya presión parcial se debe que a medida que se calienta la olla la presión en el interior se aleje más y más de la de saturación, lo que impide la ebullición del agua en el interior de la olla; es decir, la línea de cambio de estado no corta nunca a la línea 1→2 que representa la evolución de las condiciones de presión y temperatura en el interior de la olla. Del mismo modo, una vez alcanzada la presión máxima que determina la válvula (por su peso o por un muelle) en el interior de la olla, ésta no puede modificarse, y mantenerla a fuego fuerte no acelera la cocción sino que simplemente incrementa la evaporación de agua y las pérdidas de vapor por la válvula.

Excepcionalmente puede producirse la ebullición de darse un enfriamiento rápido de la mezcla de aire y vapor de agua; por ejemplo, si se quiere abrir rápidamente la olla y se coloca bajo un chorro de agua. Este chorro de agua enfría las paredes del recipiente, lo que provoca la condensación del vapor de agua y un rápido descenso de la presión en el interior de la olla de modo que se alcanza la línea de cambio de estado (2→3), y se produce la ebullición súbita del agua, con una virulencia que puede provocar incluso que el líquido escape por la junta de estanquidad del recipiente o la propia válvula. Otro tanto sucede si la olla se abre cuando aún está a presión, con el consiguiente riesgo de sufrir quemaduras por las salpicaduras de líquido caliente o el propio vapor [8].

VI.

CALCULOS

CILINDRO DE COCCIÓN Capacidad Geométrica El dispositivo a diseñar va a poseer una capacidad de 200 litros (0,2m3) y por seguridad se aplica un factor de 1,25 para la capacidad total del equipo, esto permite la expansión de los gases de forma segura. Vdiseño = Factor de diseño * Vnominal= 1,25*0,2m3 = 0,25m3 Se considera una altura de 1m para mayor maniobrabilidad de los operarios al momento de realizar el volteo para la descarga y la forma cilíndrica de fondo plano. Determinamos el diámetro del cilindro de cocción. Vcc=π*ricc2*h

0,25m3= π*ricc2*1m

ricc=0,2821m; Dicc= 0,5642m= 22,21plg Presión de Trabajo Deseamos que nuestro equipo tenga una presión de operación de (Pocc) 800kPa (116,04 lbf/plg2), ya que la temperatura de ebullición del agua aumenta por encima de los 100 ºC y la presión alcanza cotas mayores que la presión atmosférica. De esta forma se consiguen tiempos de cocción más breves, con el consiguiente ahorro en tiempo y energía, además que las vitaminas soportan mejor temperaturas elevadas durante poco tiempo que temperaturas más bajas durante un tiempo prolongado. Para esta condición se utilizara una válvula de muelle integrada a la tapa graduada para la presión requerida. Al aplicar el criterio de operación de diseño (Pcc) nos queda lo siguiente: Si Pocc ≤ 300 lbf/plg2 ; Pcc = Pocc + 30lbf/plg2

116,03 lbf/plg2 ≤ 300 lbf/plg2; Pcc = 146,03 lbf/plg2

Espesores, según el tipo de esfuerzo Se tomara una eficiencia de soldadura de 0,7 por efectos de diseño 

Para esfuerzo circunferencial 146,03 lbf/plg2 < 0,385*66717,36 lbf/plg2 146,03 lbf/plg2 < 25686,18 lbf/plg2 (Cumple) lbf ∗11,105 plg 146,03 plg2 t cc= = 0,03478plg = 0,8834mm lbf lbf 0,7∗66717,36 −0,6∗146,03 2 2 plg plg



Para esfuerzo longitudinal 146,03 lbf/plg2 < 1,25*0,70*66717,36 lbf/plg2 146,03 lbf/plg2 < 58377,69 lbf/plg2 (Cumple) lbf ∗11,105 plg 146,03 2 plg t cc= = 0,01735plg = 0,4407mm lbf lbf 2∗0,7∗66717,36 −0,4∗146,03 2 2 plg plg

Se establecen las condiciones mínimas de diseño son:  Dicc = 22,21plg = 0,5642m  tmcc = 0,8843 mm Por el catálogo de la Empresa GoodFellow para el Acero AISI 304L sometido a alta presión se recomienda una lámina de espesor 2,5mm (0,098plg). Se recalculara la presión máxima de operación con este espesor por esfuerzo circunferencial y redondeando el diámetro a 23plg lbf lbf plg2 = 397,667 plg2 11,5 plg+ 0,6∗0,098 plg

0,098 plg∗0,7∗66717,36 Pcc=

La presión de operación estará dada por

Pocc=

lbf P si P>300 1,1 plg2

397,667 1,1

l bg plg2

>300

lbf plg2

=2741,82kPa

361,667

lbf plg2

>300

lbf (cumple) plg2

Tapa Inferior Consideraremos una tapa inferior tipo plana soldada con una eficiencia de soldadura de 0,7 y un factor C`=0,33

√

lbf plg2 =0,7388 plg = 18,8mm tticc =23 plg lbf 0,7∗66717,36 2 plg 0,33∗146,03

Por efectos de disponibilidad de la Empresa GoodFellow, la lámina con un espesor superior más cercano es de 1plg. Características finales del cilindro de cocción Diámetro interno

Diámetro externo

Espesor de pared

Presión de Operación

23plg

23,1plg

2,5mm

800kPa

Volumen de Trabajo 200 lt

Altura total

Espesor de fondo

102,54cm

25,4mm

CHAQUETA Presión de Trabajo Deseamos que nuestro equipo tenga una presión de operación de (Po ch) 200kPa (43,511 lbf/plg2), este criterio parte del principio de calentamiento de líquidos en recipientes a presión, pues a mayor presión existe un desplazamiento positivo del punto de ebullición del líquido a calentar, para nuestro caso como se desea una temperatura uniforme en el cilindro de cocción de 130ºC se utilizara como medio de calentamiento Glicerina que ebulle a 179.9ºC a 1Atm de presión, al someterlo a mayor presión mientras se calienta la temperatura de ebullición aumenta, decrece el intervalo de tiempo de calentamiento, disminuye la posibilidad de un cambio de estado (de líquido a vapor) que produzca la activación de la válvula de seguridad para expulsión de vapores formados dentro de la chaqueta, además de volver al fluido más estable para el estudio

de la transferencia de calor de manera conductiva (existe menor formación de burbujas de vapor por ebullición) y también disminuyendo las posibles pérdidas por formación y expulsión de vapor. Se utilizara una válvula de muelle integrada a la tapa superior de la chaqueta graduada para la presión requerida. Al aplicar el criterio de operación de diseño (Pch) nos queda lo siguiente: Si Poch ≤ 300 lbf/plg2 ; Pch = Poch + 30lbf/plg2 29 lbf/plg2 ≤ 300 lbf/plg2; Pch = 59 lbf/plg2

Espesores, según el tipo de esfuerzo Se tomara una eficiencia de soldadura de 0,7 por efectos de diseño 

Para esfuerzo circunferencial 59 lbf/plg2 < 0,385*66717,36 lbf/plg2 59 lbf/plg2 < 25686,18 lbf/plg2 (Cumple) lbf ∗13,6 plg 59 2 plg t ch = = 0,01719plg = 0,43mm lbf lbf 0,7∗66717,36 −0,6∗59 2 2 plg plg



Para esfuerzo longitudinal 59 lbf/plg2 < 1,25*0,70*66717,36 lbf/plg2 59 lbf/plg2 < 58377,69 lbf/plg2 (Cumple) lbf ∗13,6 plg 59 plg2 t ch = = 0,008588plg = 0,218mm lbf lbf −0,4∗59 2∗0,7∗66717,36 2 2 plg plg

Se establecen las condiciones mínimas de diseño son:  Dich = 27,2plg = 0,69088m  tmch = 0,43 mm Por el catálogo de la Empresa GoodFellow para el Acero AISI 304L sometido a baja presión se recomienda una lámina de espesor 1mm (0,03937plg). Se recalculara la presión máxima de operación con este espesor por esfuerzo circunferencial y redondeando el diámetro a 27,2plg

lbf lbf plg2 = 137,72 plg2 13,6 plg+0,6∗0,03937 plg

0,03937 plg∗0,7∗66717,36 Pch=

=928,87 kPa

La presión de operación estará dada por Si Poch ≤ 300 lbf/plg2 ; Poch = Pch - 30lbf/plg2 107,72 lbf/plg2 ≤ 300 lbf/plg2; Poch = 107,72 lbf/plg2 Tapa Inferior Consideraremos una tapa inferior tipo semieliptica soldada con una eficiencia de soldadura de 0,7 con el fin de aprovechar el volumen que esta configuración otorga, dicha tapa tiene un ancho y un largo de 27,2plg y una profundidad de 10cm: lbf ∗27,2 plg 59 plg2 ttic h = = 0,01718plg = 0,436mm lbf lbf 2∗0,7∗66717,36 −0,2∗59 2 2 plg plg

Por efectos de disponibilidad de la Empresa GoodFellow, la lámina con un espesor superior más cercano es de 1mm. Recalculamos la presión de diseño para la tapa inferior lbf 2∗0,04 plg∗0,7∗66717,36 lbf =944,30 kPa plg2 = 136,96 Pch= plg2 27,2 plg+ 0,2∗0,04 plg Recalculamos la presión de operación Si Poch ≤ 300 lbf/plg2 ; Poch = Pch - 30lbf/plg2 106,96 lbf/plg2 ≤ 300 lbf/plg2; Poch = 106,96 lbf/plg2 Al comparar la Po calculada por el cilindro la Po calculada por la chaqueta se obtiene que la máxima presión de operación admitida es 106,96 lbf/plg2 Características finales de la chaqueta Diámetro interno 27,2plg

Diámetro externo 27,27plg

Espesor de pared 1 mm

Presión de Operación 200kPa

Espesor de tapa 1mm

Altura total 112,54cm

Rango de Temperatura -------

CALOR PERDIDO POR LAS CONDICIONES AMBIENTALES Como la marmita es para uso en un ambiente confinado con personas a su alrededor se establece que la temperatura del ambiente es 20ºC con una velocidad de recirculación de 2 m/s y una presión de 1Atm. La marmita por razones de seguridad la temperatura exterior del equipo se establecerá de 35ºC para reducir los riesgos de quemaduras por temperatura, al consultar al fabricante de aislantes térmicos ERICA: Aislamientos y Estanqueidad, cuya actividad es la de fabricar aislantes térmicos premoldeados para la industria alimenticia y farmacéutica se escogió por su ligereza y dureza superficial al PTFE Expandido cuyo espesor es de 30mm y una conductividad térmica de 0.25W/mK . Se utilizara el modelo de conve...