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La tabla No.4.15 muestra la comparación termodinámica sobre la base de los resultados obtenidos de la operación de un sistema de refrigeración que funciono con refrigerante hidrofluorcarbonado HCFC R-22 y posteriormente funciono con refrigerante ecológico HFC SUVA 9000 ( 407 C ).

Tabla No.4.15 Comparación termodinámica de los refrigerantes CFC R-22 y HFC SUVA 9000 ( 407 C ) a condiciones de operación en un sistema de refrigeración por compresión mecánica en un sistema híbrido de secado.

Parámetros termodinámicos Refrigerante HCFC R-22 Refrigerante HFC SUVA

9000 Relación de compresión

RC

2.26 4.64 Calor latente de condensación

Q cond

80.123 Btu / lb 74.01 Btu / lb

Calor latente de evaporización Q evap

33.763 Btu / lb 53.352 Btu / lb

Trabajo del compresor W comp. 6.25 Btu / lb 20.658 Btu / lb Coeficiente de operación ( refrigeración ) COPr 5.40 3.58 Coeficiente de operación ( bomba de calor ) COP bc 12.81 2.58 Trabajo total ( equipo de refrigeración ) 1.1604 Btu / s 1.0685 Btu / s

Relación de efic. energética Estacionaria

2.86 3.11 El sistema de refrigeración por compresión mecánica en refrigeración tiene una capacidad de 1 tonelada de refrigeración ( 200 Btu / min = 3.33 Btu / s, y en bomba de calor 0.8 toneladas de refrigeración.

4.3 ANÁLISIS DE RESULTADOS

En el proceso de secado con intercambio de calor con aire caliente la humedad relativa del aire que fluye sobre el producto debe ser menor al aire ambiente, para que absorba la humedad del producto. No obstante, de que el comportamiento de la humedad relativa del aire que se introdujo al calentador solar de aire y cámara de secado no fue constante como se aprecia en la grafica No.4.4, generalmente su valor se mantuvo por debajo de la humedad relativa del aire, debido a que al calentarlo disminuye su humedad relativa, y esta aumentaba su valor al acercarse al punto de equilibrio entre el aire caliente y la superficie húmeda del producto.

El gasto volumétrico del aire en el calentador solar de aire y cámara de secado influyo poco en el tiempo de velocidad de secado, al no tener un rango variable de velocidad de aire controlado por un ventilador centrífugo en el calentador solar de aire y un ventilador axial en la cámara de secado. En las grafica No.4.2 se observa que el gasto volumétrico a la entrada del calentador solar de aire es mayor que a la salida, no obstante, de ser las mismas áreas de sección transversal perpendiculares al flujo de aire, debido a que al ponerse en contacto el aire con los receptáculos absorbedores de calor baja su gradiente de velocidad. El mismo proceso sucede en la cámara de secado como se observa en la grafica No.4.3. Se realizaron durante la experimentación procesos de encendido y apagado de ventiladores y no hubo mucha variación.

Se observo que la captación de calor de radiación solar con concentrador de los cuatro espejos planos fue mayor que en los calentadores solares de aire sin concentración de calor, obteniéndose temperaturas no uniformes mayores de cuarenta grados centígrados en el calentador solar de aire, iniciando a temperaturas ambientes de invierno de alrededor de nueve grados centígrados. La idea mecánica del calentador solar con concentrador de espejos planos era de captar la mayor cantidad en horas de radiación solar pero el sistema deberá automatizarse para logra este objetivo.

El secado de chile de árbol con calentador solar de aire como se observa en la grafica 4.1, fue baja ( 13 % en promedio ) pero utiliza un recurso energético renovable, no contaminante y de bajo costo de operación, y este porcentaje de secado puede incrementarse automatizando el sistema pero se incrementan los costos de inversión y operación.

El secado de chile de árbol con sistema de refrigeración por compresión mecánica, como se muestra en la grafica No.4.5, presenta un alto porcentaje de secado ( 70 % en promedio ). No obstante, de que su operación es más costosa, permite disponer el aire caliente continuamente sobre la superficie del producto húmedo, además de que los sistemas de refrigeración por compresión mecánica son de alta eficiencia energética.

El intercambio de aire caliente del condensador del sistema de refrigeración a la cámara de secado, permitió obtener temperaturas de veinte grados centígrados y flujos variables de aire caliente en operación continua.

En las tablas de colección de resultados se emplearon los sistemas de unidades ingles e internacional, debido a que las tablas de propiedades termodinámicas y diagrama de Mollier H-P modificado para refrigeración del refrigerante clorofluorcarbonado HCFC R- 22 se encuentra en la literatura en sistema internacional y las propiedades termodinámicas y diagrama de Mollier H-P modificado para refrigeración del refrigerante HFC SUVA 9000 ( 407 C ) se localiza en la literatura de refrigerantes en sistema ingles.

Los valores de temperatura de los refrigerantes HCFC R-22 y SUVA 9000 ( 407 C ), a la salida del tubo capilar y entrada del evaporador que corresponde a una mezcla de refrigerante, se tomaron de la tabla 4.15, que corresponde al relación de temperatura y presión de diferentes tipos de refrigerantes.

La entalpía de los refrigerantes a la salida del tubo capilar se considera equivalente a la entalpía de la entrada del refrigerante al evaporador como proceso isoentálpico, y equivale a la entalpía del refrigerante a la salida del condensador en liquido saturado.

De los diagramas de Mollier modificado para refrigeración observamos lo siguiente:

1.- El comportamiento de entalpía del refrigerante HCFC R-22 es constante y esta marcada verticalmente. La presión y temperatura del refrigerante son constantes en liquido y vapor saturado.

2.- El comportamiento de la entalpía del refrigerante HFC SUVA 9000 ( 407 C ) no esta marcada verticalmente y no es constante. Le corresponde una presión y temperatura diferente al liquido y vapor saturado. En la descarga del compresor tiene un valor equivalente inferior al refrigerante en liquido saturado en el calor latente de condensación, y un valor superior en la línea de liquido saturado con respecto al vapor saturado en el calor latente de evaporización.

Estas diferencias de comportamiento termodinámico de presión, temperatura y entalpía se analizaron para describir el ciclo de refrigeración real en los diagramas de Mollier. Con el refrigerante HCFC R-22, se trazan el ciclo de refrigeración real, sobre la base de los siete valores de temperatura y entalpía, con las presiones absolutas en liquido saturado, vapor saturado y vapor recalentado. Con el refrigerante HFC SUVA 9000 (407C ) se ubicaron y marcaron en el diagrama de Mollier modificado para refrigeración los puntos de salida del refrigerante del condensador en liquido saturado, y salida del refrigerante del evaporador en vapor saturado. La entalpía a la entrada del tubo capilar se localizo como entalpía constante de la salida del refrigerante del condensador y la continuación de la línea de temperatura del refrigerante en el evaporado. El punto de vapor sobrecalentado en la descarga del compresor se localizo con la continuación de la temperatura del calor de condensación y temperatura del refrigerante medido en el flujo de aire del condensador.

En la tabla 4.15 de los parámetros termodinámicos calculados sobre la base de las mediciones experimentales que se realizaron, analizamos lo siguiente:

El refrigerante HFC SUVA 9000 ( 407 C ) tiene mayor calor latente de evaporización que el refrigerante HCFC R-22, pero su alto trabajo en compresión hace que su coeficiente de operación en refrigeración y bomba de calor sea muy bajo.

La relación de eficiencia energética estacionaria ( REEE ) es mayor cuando opera con refrigerante HFC SUVA 9000 ( 407 C ) pero la capacidad frigorífica de diseño de una tonelada de refrigeración es a plena carga por lo que este valor no es muy confiable,

CAPITULO No.5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 5.1.- CONCLUSIONES

La escasez y altos costos de los energéticos convencionales, no renovables como el petróleo, gas y electricidad, y los aun incipientes recursos energéticos alternativos como la solar, hacen necesaria ahora mas que nunca una cultura de buen uso y ahorro de las energías electrodomésticos.

El sistema híbrido de secado propuesto en este proyecto, conjugan maquinas como los sistemas de refrigeración con energías convencionales, y sistemas energéticos como los calentadores solares de aire con la modalidad de utilizar concentradores de calor con espejos planos haciendo uso de un recurso renovable como la energía térmica solar.

Desde el punto de vista practico, mecánico y energético, el sistema híbrido de secado con sistema de refrigeración por compresión mecánica utilizando refrigerante hidrofluorcarbonado HCFC R-22 y su sustituto HFC SUVA 9000 ( 407 C ), cumplió las expectativas, pues además de secar tres cargas de chile de árbol, su diseño y construcción esta en tramite de patente en el Instituto Mexicano de la propiedad Industrial.

Se cumplieron los objetivos generales y específicos de este proyecto:

- Se analizaron los parámetros termodinámicos de los refrigerantes HCFC R-22 y HFC SUVA 9000 ( 407 C ) que intervienen en el funcionamiento de un sistema de refrigeración mecánica, a condiciones de operación para el secado de productos agrícolas

- Se analizaron los parámetros termodinámicos que intervienen en un calentador solar de aire, con tres diferentes flujos de aire y una placa movible absorbedora de radiación térmica solar

- Se analizaron los parámetros termodinámicos que intervienen en la cámara de secado con exposición de aire caliente indirecto, que provienen de un calentador solar de aire con concentrador de espejos planos, y un sistema de refrigeración por compresión mecánica.

- Se obtuvieron los puntos de los parámetros termodinámicos que intervienen en los procesos de refrigeración, y se analizaron y trazaron en un diagrama de Mollier modificado para los refrigerantes HCFC R-22 y SUVA 9000 ( 407 C ).

- Se obtuvieron entre otros parámetros termodinámicos, la relación de eficiencia energética estacionaria ( REEE ) de los refrigerantes HCFC R-22 y HFC SUVA 9000 ( 407 C )

La entalpía de los refrigerantes a la salida del tubo capilar se considera equivalente a la entalpía de la entrada del refrigerante al evaporador como proceso isoentálpico, y equivale a la entalpía del refrigerante a la salida del condensador en liquido saturado. En la tabla 4.13 de parámetros de temperatura del refrigerante HFC SUVA 9000 la columna de salida del tubo capilar y entrada al evaporador de esta propiedad termodinámica se localiza en blanco, porque corresponde

En la hipótesis esperábamos que el calentador solar de aire con concentrador de espejos planos, captáramos y mantuviéramos temperaturas uniformes muy altas del orden de los

noventa grados centígrados, y no fue posible lograrlo los porcentajes de secado fueron bajos en comparación con el sistema de refrigeración por compresión mecánica.

No obstante, de que el trabajo del compresor y relación de compresión, con refrigerante HFC SUVA 9000 ( 407 C ), con respecto al refrigerante CFC R-22 nos dio un valor alto, los coeficientes de operación y relación de eficiencia energética estacionaria son aceptables, y se vislumbra la factibilidad de utilizar refrigerante sustituto SUVA 9000 ( 407 C ) en sistemas de refrigeración por compresión mecánica.

5.2 RECOMENDACIONES

Para aumentar al eficiencia térmica y porcentaje de secado del sistema híbrido con calentador solar de aire, se requiere automatizarlo. Haciendo que los espejos se abran o cierre, y la estructura gire con respecto a la posición del sol, para tener una mayor captación de radiación térmica solar, además de colocar unos desviadores de flujo de aire en la cámara de secado, para reinyectar parte de este aire y aprovechar al máximo el aire caliente.

Para mantener uniformes los parámetros termodinámicos del aire, como temperatura, velocidad y flujo de aire, se debe de adecuar un mecanismo para que el aire toque todas las superficies de contacto, y así aprovechar al máximo el calor cedido del aire al producto.

En la cámara de secado se requiere instalar un control de temperatura del aire, para accionar el ventilador axial colocado a la salida de la cámara de secado, y extraer la cantidad necesaria de aire.

Durante las pruebas experimentales de medición de presión manométrica de refrigerante, se tuvieron algunos contratiempos como hermeticidad del sistema y fuga de refrigerante, por lo que se recomienda prevenir este tipo de acciones, si tomamos en cuenta que el refrigerante HFC SUVA 9000 ( 407 C ) trabaja en altas presiones en el proceso térmico de condensación y muy bajas presiones en el proceso térmico de evaporización.

La información obtenida de los diagramas de Mollier modificado para refrigeración no es precisa por cuestiones de apreciación pero si es confiable para tener una idea global del comportamiento de los parámetros termodinámicos, se recomienda utilizar diagramas de Mollier par refrigeración con unidades del sistema ingles cuando los manómetros de refrigeración este en PSI, o diagramas de Mollier con sistema de unidades Internacional cuando los manómetros de presión estén en kilo Pascales o bares.

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APÉNDICE I

Propiedades termodinámicas del refrigerante HCFC R-22 Refrigerante HCFC R-22 en liquido saturado y vapor saturado

Propiedades termodinámicas del refrigerante HCFC R-22 en liquido saturado y vapor saturado

Propiedades termodinámicas del refrigerante HFC SUVA 9000 (407 C ) Refrigerante HFC SUVA 9000 ( 407C ) en liquido saturado y vapor saturado

Propiedades termodinámicas del refrigerante HFC SUVA 9000 (407 C ) Refrigerante HFC SUVA 9000 ( 407C ) en liquido saturado y vapor saturado

Diagrama de Mollier modificado para refrigeración del refrigerante HFC SUVA 9000 ( 407 C )

APÉNDICE II

Log10Psat = A – B/T – Clog10T + DT + E ( F – T ) / FT log10 ( F – T ) [ 2.1 ]

Donde: A = 29.35754453 B = 3845.193152 C = 7.86103122 D = 0.002190939044 E = 305.8268131 F = 686.1

La ecuación No.2.1, se basa en los datos del Profesor A. Michels de la Universidad de Ámsterdam y revisados en la Universidad de Michigan y la Du Pont Company, calcula la presión de vapor saturado del refrigerante HCFC 22, para rangos de presión de 0.08 a 692 psia, con un promedio de desviación de 0.11 %. Se uso para calcular los valores de las tablas de propiedades termodinámicas del refrigerantes HCFC R-22. [ 4 ]

Las propiedades termodinámicas del refrigerante HCFC R-22 están tabuladas en tablas y representados en un diagrama de Mollier modificado, de la compañía Du Pont fabricante de refrigerantes HCFC, HCFC, y HFC ( apéndice I )

Nota:

Las constantes de esta ecuación de estado, fueron obtenidas con unidades del sistema internacional. P=RT /(V – b) + (A2 + B2T + C2eKT / Tc ) / ( V – b )2+( A3 + B3T + + C3eKT / Tc ) / ( V – b )3 + ( A4 + B4T ) / ( V – b )4 + ( A5 + B5 + + C5 eKT / TC) / ( V – b )5 + ( A6 + B6T ) / (e5.48.2v ) [ 2.2 ] Donde: R = 0.124098 b = 0.002

A2 = - 4.353547 B2 = 0.002407252 C2 = - 44.066868 A3 = - 0.017464 B3 = 7.62789 x 10-5 C3 = 1.483763 A4 = 0.002310142 B4 = - 3.605723 x 10-6 A5 = - 3.724044 x 10-5 B5 = 5.355465 x 10-8 C5 = - 1.845051 x 10-4 A6 = 1.363387 x 108 B6 = - 1.672612 x 105 K = -4.2

La ecuación 2.2 de Estado, desarrollada por el Profesor A. Michels, calcula la presión a diferentes temperaturas, para densidades de 1.6 a 42 libras por pie cúbico, y promedio de desviación de 0.07 %, del refrigerante CFC R-22.

df = A + B ( 1 – T / Tc )1/3 + C ( 1- T / Tc )2/3 + D ( 1 – T / Tc ) + E ( 1 – T / Tc )4/3 [ 2.3 ] Donde: A = 32.76 B = 54.6344093 C = 36.74892 D = - 22.2925657 E = 20.47328862

La ecuación No.2.3, calcula la densidad del liquido saturado, con rangos de 100 libras por pie cúbico a 51 libras por pie cúbico, con una desviación promedio de 0.08 %

Cººvºº = a + b / T2 + CT + DT2 [ 2.4 ] Donde: a = 2.812836 x 10-2 b = 257.341 c = 2.255408 x 10-4 d = - 6.509607 x 10-8

La ecuación No.2.4, calcula la capacidad calorífica del vapor, con rangos de – 280 º_{F a 530}

ºF ( calculados de datos espectroscópicos), con una desviación promedio de 0.07 % )

P = ( RT / v – b ) – ( a / v2 + 2bv – b2 ) [ 2.5 ]

La ecuación ( 2.5 ) de estado de Peng – Robinson – Strycjek – Vera (PRSV), se usa para calcular los valores de las tablas de propiedades termodinámicas del refrigerantes HFC SUVA 9000 (407C), con un rango mínimo de error de temperatura y presión.

Las constantes de esta ecuación de estado, fueron obtenidas con unidades del sistema