Ing. Rubén D. Llanes M. rllanesm@ucentral.edu.co TÓPICOS DE DISEÑO DE REFRIGERADORES DOMÉSTICOS OPERANDO CON HIDROCARBUROS Ing. Rubén D. Llanes M. rllanesm@ucentral.edu.co

Refrigeración doméstica con hidrocarburos 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

Refrigeración doméstica con hidrocarburos 1. NECESIDAD: Consumo de energía eléctrica por refrigeración en Colombia y emisiones contaminantes asociadas al consumo Refrigeración doméstica con hidrocarburos

Crecimiento por año desde 2002 (%) TABLA 1 .Consumo de energía eléctrica en Colombia por sector TABLA 2 .Consumo de energía eléctrica en Colombia por estrato socioeconómico. ESTRATO GWH/año Crecimiento por año desde 2002 (%) 1 3877.4 10.25 2 6097.7 4.90 3 4504.0 0.97 4 1517.0 1.37 5 857.4 1.42 6 753.9 1.45 TOTAL: 17607.0 SECTOR CONSUMO (%) RESIDENCIAL 43 COMERCIAL 18 INDUSTRIAL 31 OFICIAL 4 ALUMBRADO PUBLICO 3 OTROS 1 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

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

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

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

Refrigeración doméstica con hidrocarburos Características deseables del refrigerante: - Energéticas: Alto hfg 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. Refrigeración doméstica con hidrocarburos

Refrigeración doméstica con hidrocarburos 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) (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 91.28 191.2 65.38 1300 9.51 Hidrocarburo HC 12ª (R600a + R290) 23.9 153.8 151.15 122.47 Menor a 3 6.33 Fuente: Gordon Van Wylen y Northcutt Refrigeración doméstica con hidrocarburos

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

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

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

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

Refrigeración doméstica con hidrocarburos 4. DISEÑO TÉRMICO Refrigeración doméstica con hidrocarburos

Refrigeración doméstica con hidrocarburos Ciclo teórico refrigerante hidrocarburo HC12a (50%/ 50% R600a Y R290): 3 2 3 50 °C 1 4 -20°C 4 Refrigeración doméstica con hidrocarburos

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

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

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

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

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, mktembraco@embraco.com.br 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

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

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 1 M3 (habitáculo) Refrigeración doméstica con hidrocarburos

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. Refrigeración doméstica con hidrocarburos

GRACIAS… y recuerde que el planeta es responsabilidad de todos. Refrigeración doméstica con hidrocarburos

TEMPERATURA DE IGNICIÓN (ºC/ºF) REFRIGERANTE LEL (% volumen) UEL TEMPERATURA DE IGNICIÓN (ºC/ºF) R12 No flamable ---- R134a R600 1.9 8.5 460 / 860 R600a 365 / 689 R290 2.2 9.5 470 / 878 Refrigeración doméstica con hidrocarburos

Refrigeración doméstica con hidrocarburos REFRIGERANTE NOMBRE QUÍMICO FORMULA MOLECULAR PRESIÓN CRITICA (Mpa) TEMPERATURA CRITICA (ºC/ºF) PUNTO DE EBULLICIÓN (1 atm)(ºC/ºF) 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

Refrigeración doméstica con hidrocarburos REFRIGERANTE ODP GWP (Respecto a CO2 = 1) R12 1.0 8500 R134a 1300 R600a 11 R600 R290 Refrigeración doméstica con hidrocarburos