diseño de cuarto frio

DISEÑO DE CAMARA

FRIGORIFICA PARA BANANOS

Objetivos OBJETIVO GENERAL: Diseñar un cuarto frigorífico para la refrigeración y almacenamiento refrigerado de bananos durante un tiempo determinado.

OBJETIVOS ESPECIFICOS:

Caracterizar el banano como producto a refrigerar y a almacenar

Dimensionar la cámara con la que vamos a refrigerar y a almacenar.

Calcular la carga total de enfriamiento

Calcular la carga total de almacenamiento

Caracterizar el sistema de refrigeración

normatividad

El grado de desarrollo y el estado del banano debe permitir el transporte y manipulación de manera que llegue satisfactoriamente al lugar de destino.

De acuerdo con la “Norma NTC 1190,” Industria “Alimentaria – plátano”, dada por el ICONTEC en 1976 los bananos se clasifican por su tamaño en tres categorías: Extra, Primera y Segunda, en cada una de las cuales los frutos deben estar (Milán, Jesús; 2000).Enteros, duros, con la forma característica de la variedad.

secos, limpios, sin manchas ni grietas.

Sin principios de pudrición, magulladuras, heridas no cicatrizadas o cuellos. El plátano se puede comercializar verde, pintón o maduro, en manos o racimos.

daños mecánicos

Impacto. Los daños por impacto pueden resultar en magulladuras con o sin rotura de la cáscara. Las magulladuras por impacto son causadas por un golpe fuerte

2. Presión o compresión. Los daños por compresión resultan de la presión excesiva sobre la fruta. No hay necesidad de movimiento físico para que ocurra el daño por presión.

Vibración. El daño por vibración es principalmente asociado con el transporte y resulta de la vibración repetida y prolongada de la fruta.

Los daños mecánicos son uno de los principales factores que conducen al deterioro poscosecha de los bananos y pueden ocurrir en cualquier momento desde el punto de la cosecha hasta el punto de consumo.

Condiciones generales

ASPECTO

• Los plátanos deben estar enteros y duros, exteriormente secos, limpios, sin manchas ni grietas, no deben presentar rayas profundas ni huellas de ataques de plagas y enfermedades.

• No deben presentar indicios de pudrición ni magulladuras o heridas no cicatrizadas, ni tener el cuello roto.

• El plátano puede comercializarse en estado verde, pintón o ligeramente maduro. Así mismo, puede comercializarse en manos, dedos o racimos.


REQUISITOS (Norma NTC 1190,” Industria “Alimentaria – plátano)

• GRADOS DE CALIDAD

Calidad extra

Los plátanos de esta calidad, deberán estar bien formados, tener un grado de 3/4 lleno, presentar coloración uniforme según su grado de madurez y pedúnculos bien cortados (no pueden ser arrancados ni retorcidos). La longitud del dedo para el plátano hartón no podrá ser inferior a 25 cm.


REQUISITOS (Norma NTC 1190,” Industria “Alimentaria – plátano)• Calidad primera

Además de cumplir las características indicadas en el Capítulo 3, deberán estar bien formados. Los plátanos de esta calidad podrán presentar solamente daños superficiales y no deberán presentar manchas entre las aristas.

• Calidad segunda

Además de cumplir las características indicadas en el capítulo 3, podrán presentar daños superficiales pero no podrán presentar manchas en más de una tercera parte de su superficie total.


• EMPAQUE Y TRANSPORTE

La fruta de exportación por lo general se empaca en cajas de cartón telescópicas de aproximadamente 18 kg (plátano de mesa) y 23 kg (plátano verde), que contienen una película perforada de polietileno para modificar la atmósfera y retrasar el proceso de maduración. La carga se transporta en barcos, en contenedores refrigerados.


• CONDICIONES DE ALMACENAMIENTO

Las bodegas de almacenamiento deben enfriarse antes de la entrada del producto. La temperatura de la fruta debe bajar hasta 13 ºC tan pronto como sea posible. La fruta verde-madura puede conservarse por 1 a 4 semanas; dependiendo de las condiciones de manejo y estado de madurez de la misma.

Una vez maduro, el plátano no dura más de 2 a 4 días, dependiendo de la temperatura del medio ambiente. El plátano debe permanecer almacenado a 13°-14°C, con una humedad relativa del 90 al 95% para el plátano verde-maduro o pintón y de 85% si está maduro.


• DAÑO POR ENFRIAMIENTO

Temperaturas de 11° a 12°C producen daño por enfriamiento. La fruta verde-madura es ligeramente más sensible al frío que la madura. La fruta afectada presenta decoloración de la cáscara, oscurecimiento de la pulpa y fallas en la maduración.

Unas pocas horas de exposición del producto a 10°C puede resultar en el opacamiento del color de la cáscara; en tanto que son suficientes 12 horas a 7°C para afectar la calidad de consumo de esta fruta. (Milan, Jesus. 2000)

DISEÑO DE CAMARA FRIGORIFICA PARA BANANOS

CARACTERIZACION DEL PRODUCTO

El banano es una fruta tropical que es aprovechada principalmente para su consumo fresco, este posee aproximadamente la siguiente composición nutricional:

• Agua: 75,2%• Carbohidratos: 21,5%• Fibra: 2,5%• Grasa total: 0,3• Minerales: 0,5%

Con estos datos se halló el valor de Cp= 4,44 KJ/KgºC a través de Choi & Okos

CARACTERISTICA FISICA DEL PRODUCTO

Los bananos que van a ser almacenados van a tener unas características especificas con respecto al tamaño, calibre, peso y estado de madurez (Guía para exportación de plátano a los Estados Unidos).

Tamaño: 8,5 pulgadas (21,9 cm aprox.)

Calibre: 1,54 pulgadas (3,9 cm aprox.)

Peso: 300 gramos

Estado de madurez: Los bananos inicialmente deben estar inmaduros, es decir, de un color verde intenso pero fisiológicamente maduro. (Estado 1)

Condiciones de recolección y almacenamiento

Condiciones durante la recolección: 29ºC y 90%HR.

Temperatura de la fruta en la recolección: 24ºC.

Temperatura de almacenamiento: 13ºC, ya que un almacenamiento bajo temperaturas menores a 12ºC pueden provocar daños por enfriamiento, mientras que superiores a 13.5ºC acelerarían el proceso de maduración. (Guía para exportación de plátano a los Estados Unidos)

Tiempo de almacenamiento: Antes de lograr su madurez de consumición se pueden almacenar hasta unos 14 a 22 días a una temperatura de 13ºC y humedad relativa de 90%. (Agricultura Orgánica en el Trópico y Subtrópico del Banano, 2001)

DIMENSIONAMIENTO DE LA CAMARA FRIGORIFICA

CRITERIOS DE DISEÑO Producto a almacenar: Bananos Capacidad de almacenamiento:

24600 kg de fruta - 24,6 Ton. (1000 cajas de 24,6 Kg)

Embalaje del producto: Después de la selección y lavado, se almacenan los bananos en cajas de cartón corrugado la cual posee unas dimensiones de 20x51x34 cm. (Fuente: Guía de exportación plátanos para el mercado de Estados Unidos).


CRITERIOS DE DISEÑO Se recomienda que en el almacenamiento de las cajas sean colocadas en tarimas de madera de 48” x 40” (1.2m x 1.02m) colocando en la base de cada paleta seis cajas, por ocho niveles de altura, para un total de 48 cajas cada paleta (Fuente: Norma ISO Estándar 6780).

Con base a lo anterior, las estibas

totales a usar son: 1000 cajas / 48 cajas por estiba = 21 estibas


La empresa EMPCA S.A produce cajas de cartón corrugadas a medidas exactas que se requieran, con las dimensiones establecidas:

Tabla 1. Propiedades de las cajas (Fuente: EMPCA S.A.)

La compañía ECOFORMAS ofrece estibas idénticas a las necesitadas:

Tabla 2. Propiedades de las estibas (Fuente: ECOFORMAS S.A.)

Peso 0,5 Kg

Cp 1,57 KJ/KgºCPeso 23 Kg

Cp 2,72 KJ/KgºC

Capacidad 1500 Kg

Entradas 4

Alto 15 cm = 0,15 m


Montacargas: Se utilizaran 2 montacargas eléctricos para llenar la cámara, la compañía ECOFORMAS S.A ofrece este producto con las siguientes características y recomendaciones:

Tabla 3. Montacargas eléctrico (Fuente: ECOFORMAS S.A.)

Largo 3100 mm = 3,1 m

Ancho 1130 mm = 1,13 m

Alto 2005 mm = 2,005 m

Capacidad de carga 2000 Kg

Ancho de pasillo 3200 mm = 3,2 m

ÁREA Y VOLUMEN DE LA CÁMARA Según el Decreto 3075, capítulo 7, art. 31, Inciso d, establece que

la separación mínima con respecto a las paredes debe ser 60cm.

En los diseños de cuartos fríos es habitual dejar un espacio libre donde el evaporador descarga el aire de refrigeración para generar la recirculación, este espacio oscila entre 0,4 – 0,5 m. Para este diseño tomaremos como espacio libre superior 0,5 m.

Las puertas tendrán dimensiones de 2,5m de alto y 2m de ancho, esto teniendo en cuanta las dimensiones del montacargas, compuestas por los mismos materiales de las paredes.

ÁREA Y VOLUMEN DE LA CÁMARA

Ahora:

Vinterno = Alto x Largo x Ancho = 318.5 m3

Ainterna = (Alto x Largo) x 2 + (Largo x Ancho) x 2 + (Ancho x Alto) x 2 = 322 m2

De acuerdo a la medida de los arrumes, espacios libres, separaciones de la pared, medida de las estibas, altura del montacargas; las dimensiones internas escogidas son: Alto: 3.5 metros

largo: 13 metros

Ancho: 7 metros

dimensiones externas

se tendrán en cuenta la composición de paredes, techo y piso. En este caso estarán fabricados de (Según catálogo general 2012 de SAVEMAH, cámara frigorífica modular a medida para conservación):

Para paredes y techo estarán fabricados en poliuretano inyectado a alta presión (60mm de espesor y k=0,035 W/mºC), un revestimiento interior de acero inoxidable (0,6mm de espesor y k= 15 W/mºC) y un revestimiento exterior de acero galvanizado (0,5mm de espesor y k= 52,5 W/mºC)

Para paneles de suelo se utilizará poliuretano rígido de espesor 60mm con revestimiento interior de acero inoxidable antideslizante de 10mm y un revestimiento galvanizado de 0,5 mm de espesor.

dimensiones externas

Ahora con el espesor de las paredes se tiene que las dimensiones externas de la cámara son: Alto: 3,7 m Largo: 13,2 m Ancho: 7,2 m

Ahora: Vexterno = Alto x Largo x Ancho = 351,65 m3Aexterna = (Alto x Largo) x 2 + (Largo x Ancho) x 2 + (Ancho x Alto) x 2 = 341,04 m2

DETERMINACIÓN DE CARGAS TERMICAS DURANTE EL ENFRIAMIENTO

CARGA POR PAREDES Y TECHO

Para hallar el U global es necesario hallar el hi (h convectivo Interior) y el he (h convectivo exterior) del aire, que dependen de la velocidad del mismo, para esto se utilizó la siguiente ecuación con la cual podemos obtener el h convectivo en función de la velocidad del aire:h=6,164+4,187v Con h en w/m2C

Donde v es la velocidad de aire en m/s

Velocidades de aire al interior de la cámara (Vi)= 1m/s (para frutas y hortalizas se recomiendan velocidades entre 0,5 y 1,5 m/s para no resecar la superficie del producto) (Elton F. Morales, 2009)


Velocidad Exterior del Aire= 4 m/sDe esta manera:


Ahora el calor por paredes y techo es:

CARGA POR SUELO


Ahora el calor por suelo es:

CARGA POR RENOVACION DE AIRE: Se realizan 6 cambios de aire por día, entonces:Dónde: f es Factores de cambio de aire; en nuestro caso es: f=72,6 KJ/m^3 (Manual de ingeniería. BOHN)

CARGAS POR OPERARIOS

Se considera que laboran 3 operarios y entran 2h/día a la cámara, y el calor del operario en BTU/día se halla por la siguiente tabla:

La temperatura de refrigeración es de 13ºC es decir 55,4ºF; extrapolando se obtiene el valor de 15724,8BTU/día = 655,2 BTU/h

CARGAS POR CARROS MONTACARGAS

Se considera que se utilizaran 3 carro y entran 2h/día a la cámara, y el calor del montacargas se halla teniendo en cuenta la siguiente tabla dependiendo de la capacidad de levante del carro en nuestro caso es de 2000 Kg aprox. 4000lb.

Ahora:

CARGAS POR ILUMINACIÓN

Se utilizaran luces de 2400W/h a razón de 3.42BTU/W por el mismo tiempo en que entra el operario a la cámara, es decir, 2h/día.

CALORES

CALOR SENSIBLE PRODUCTOS

CALOR SENSIBLE DE LAS CAJAS DE CARTÓN

La masa total de las cajas de cartón es: 1000cajas x 0,5 Kg = 500Kg

CALORES

CALOR SENSIBLE DE LAS ESTIBASLa masa total de las estibas de madera es: 21 estibas x 23 Kg = 483Kg

CALOR DE RESPIRACIÓN

Donde H_Res es el calor de reacción liberado por el producto en BTU/Ton/día, y se calcula de acuerdo a la siguiente tabla (USDA, 1995):

CALORES

En este caso se toma una temperatura promedio entre la temperatura de la fruta y la de refrigeración con el fin de hallar este calor, la temperatura es de 18,5ºC = 65.3ºF; por interpolación con los valores de bananas verdes el valor es: 6,29 BTU/Ton.

Ahora:

CALOR TOTAL DE ENFRIAMIENTO


En este caso se toma una temperatura promedio entre la temperatura de la fruta y la de refrigeración con el fin de hallar este calor, la temperatura es de 18,5ºC = 65.3ºF; por interpolación con los valores de bananas verdes el valor es: 6,29 BTU/Ton.

Ahora:



Aplicando un margen de seguridad de 10% el valor de real del Q_TOTAL es:

Margen de seguridad (10%) = 1784053,31 KJ/día * 0,1 = 178403,531 KJ/día

Suponiendo que el equipo de refrigeración opere 18 horas diarias se tiene que

Convirtiendo a toneladas de refrigeración

DETERMINACIÓN DE CARGAS TERMICAS DURANTE EL ALMACENAMIENTO

CARGA POR PAREDES Y TECHO

CARGA POR SUELO

DETERMINACIÓN DE CARGAS TERMICAS DURANTE EL ALMACENAMIENTO

CARGA POR RENOVACION DE AIRE

Se realizan 1,8 cambios de aire por día durante el almacenamiento, entonces:

Dónde: f es Factores de cambio de aire; en nuestro caso es: f=72,6 KJ/m^3 (Manual de ingeniería. BOHN)

CARGAS POR OPERARIOSSe considera que labora 1 operarios y entran 1h/día a la cámara, y el calor del operario en BTU/día es el mismo que durante el enfriamiento: 655,2 BTU/h

CALOR TOTAL DE ALMACENAMIENTO

Aplicando un margen de seguridad de 10% el valor de real del Q_TOTAL es:

Margen de seguridad (10%) = 306940,59 KJ/día * 0,1 = 30694,059 KJ/día

Suponiendo que el equipo de refrigeración opere 18 horas diarias se tiene que

Convirtiendo a toneladas de refrigeración

CARACTERIZACION DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN

SELECCIÓN DEL REFRIGERANTE: Se evaluaron dos refrigerantes y se comparan para escoger el más adecuado. Los refrigerantes son:

El R-134a, por los siguientes motivos: la molécula no contiene ningún átomo de cloro, responsable de la descomposición del ozono, por eso se le adjudica a esta sustancia el potencial 0, respecto a la destrucción del ozono y posee las siguientes características (Según: Ficha Técnica, EUROREFRIGERANS)

DETERMINACIÓN DE LA TEMPERATURA DE CONDENSACIÓN Y DE EVAPORACIÓN

En la temperatura de condensación debe tener un DT de 10ºC con respecto a la

temperatura del medio (Según: Manual de frio y refrigeración El frigorista Torpe); entonces: 29ºC + 10ºC = 39ºC

La temperatura de evaporación es recomendable un DT de 7-9º para vegetales a HR de 90% (Según: Manual de Ingeniería, BOHN); entonces: 13ºC-8ºC= 5ºC.

SELECCIÓN Y TRAZADO DEL CICLO DE REFRIGERACIÓN Con las temperaturas del evaporador y del condensador y el diagrama de Mollier se hallan las entalpias y presiones respectivas del sistema, y con esto los parámetros del ciclo:

La masa del refrigerante El trabajo del compresor La capacidad operativa (COP) La potencia del compresor


PARA EL R-134aTevapo= 5 ºCTCondensador=39 ºCEn el diagrama P-h del refrigerante R-134a trazamos el ciclo con las temperaturas dadas, y hallamos las entalpias en cada punto del ciclo

H1=H4= 245 kj/kg Palta: 990 KpaH2= 395kj/kg Pbaja: 350 KpaH3=430 kj/kg


Ahora sabemos que:

Seguidamente hallamos el trabajo del compresor dado por la ecuación:


Calculamos el COP del refrigerador

Calculamos potencia del compresor:

Luego de calcular los requerimientos bases se comparó dos tipos de refrigerantes: R-134a y R-404a; siendo el primero seleccionado para hacer parte del diseño de la cámara frigorífica ya que con las necesidades de calor de dicha cámara posee un COP de 4,29 mientras que el otro refrigerante tiene un COP de 2,5 trabajando con una potencia mucho mayor que el R-134a, lo que significa que el R-404a tiene un mayor gasto de energía con una eficiencia menor lo que generará mayores costes que el R-134a con una potencia de 2,12HP y mejor eficiencia. Por ende, el refrigerante a usar será el R-134a.

Muchas Gracias

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