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Diseño y Análisis Termodinámico de un Almacén Frigorífico para Manzanas - Prof. Díaz, Summaries of Agricultural engineering

El diseño y análisis termodinámico de un almacén frigorífico para el almacenamiento de manzanas. Se determinan las dimensiones adecuadas del almacén y las cajas de almacenamiento, se estima la carga térmica total del sistema, incluyendo las pérdidas de calor a través de las paredes, techo y piso, y se proponen conclusiones y recomendaciones para mejorar la eficiencia energética del almacén. El objetivo es diseñar un almacén frigorífico eficiente que garantice la temperatura óptima para la conservación de las manzanas y minimice las pérdidas de energía. El documento aborda aspectos clave como el diseño del almacén, el cálculo del espesor del aislante térmico y la estimación de la carga térmica total, brindando información valiosa para el desarrollo de un sistema de refrigeración adecuado y eficiente.

Typology: Summaries

2022/2023

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Facultad de
Ciencias
Agrícolas
(U.A.G.R.M)
Ingeniería
Agrícola
Proyecto: Diseño y Análisis
Termodinámico de un Almacén
Frigorífico para Manzanas
Integrantes Grupo “A
Danny Hernandez
Doc. Ing. Jorge Vaquera
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Facultad de

Ciencias

Agrícolas

(U.A.G.R.M)

Ingeniería

Agrícola

Proyecto: Diseño y Análisis

Termodinámico de un Almacén

Frigorífico para Manzanas

Integrantes Grupo “A”

 Danny Hernandez

Doc. Ing. Jorge Vaquera

Montero, Santa Cruz, Bolivia

I. TÍTULO

Diseño y Análisis Termodinámico de un Almacén Frigorífico para

Manzanas

Objetivo General

Diseñar un almacén frigorífico eficiente para el almacenamiento de

manzanas, garantizando la temperatura óptima para su conservación y

minimizando las pérdidas de energía.

Objetivos Específicos

  1. Determinar las dimensiones adecuadas del almacén y las cajas

para almacenar 2000 kg de manzanas diarias.

  1. Calcular el espesor del aislante térmico necesario para mantener

la temperatura interna en 0°C.

  1. Estimar la carga térmica total del almacén, incluyendo las pérdidas

de calor a través de las paredes, el techo y el piso.

  1. Proponer conclusiones y recomendaciones para mejorar la

eficiencia energética del almacén.

II. MARCO TEÓRICO

El almacenamiento de frutas como las manzanas requiere condiciones

específicas de temperatura y humedad para evitar su deterioro. El

proceso de refrigeración implica la remoción de calor del interior del

almacén para mantener una temperatura constante y baja. La eficiencia

del sistema de refrigeración depende en gran medida del diseño del

almacén y de los materiales aislantes utilizados.

III. DISEÑO

Material del Almacén

  • Puerta: Acero con aislante, dimensiones 1.5 m x 2 m.
  • Paredes: Composición multicapa:

Supongamos que el almacén tiene forma cúbica:

∛(10 m³) = 2.15 m ≈ 2.5 m

Por lo tanto, las dimensiones aproximadas del almacén podrían ser de

2.5 m x 2.5 m x 2.5 m para un volumen total de 15.625 m³,

considerando espacio adicional para aislamientos y maquinaria.

En cuanto al techo de losa sería lo siguiente sumamos 100 cm +30 cm =

130 cm

Las dimensiones del techo serían 3.8 m×3.8 m

Vistas del diseño del almacén frigorífico:

Plano de diseño

Isométrico

Frontal

Lateral

b) Di

menciones y número de las cajas para las manzanas

Dimenciones de las cajas

Podemos ahora definir las dimensiones de cada caja de manera práctica.

Las cajas deben ser de tamaño manejable y optimizadas para el espacio

del almacén.

Supongamos que las dimensiones de una caja son de 0.52 m x 0.34 m x

0.32 m:

Estas dimensiones permiten un volumen cercano al necesario para 20 kg

de manzanas por caja.

Volumen de una caja = 0.52 m × 0.34 m × 0.32 m = 0.056 m³

Número de cajas necesarias

n ° cajas=

3.33 m

3

0.056 m

3

n ° cajas ≈ 60

Disposición de las Cajas en el Almacén

Para organizar las cajas dentro del almacén:

Supongamos que las dimensiones internas del almacén se utilizan de

forma eficiente (aproximadamente 2.5 m x 2.5 m x 2.5 m).

Podemos disponer las cajas en filas y columnas, dejando espacio para la

circulación de aire y acceso.

Considerando las dimensiones de las cajas y dejando espacio para

manejo y circulación, una disposición plausible podría ser:

  • Base del Almacén : 2.5 m x 2.5 m

Número de cajas en una fila a lo largo 2.5 m:

2.5 m/0.52m = 4.8 = 5 cajas

Número de filas a lo largo de una columna a lo largo de 2.5 m:

2.5 m/0.34 m = 7.35 = 8 filas

  • Altura del Almacén : 2.5 m

Número de niveles de cajas a lo largo de 2.5 m:

2.5 m/0.32 m = 8 niveles

Total de Cajas

Total de cajas= 5

cajas

fila

× 8

filas

columna

× 8 niveles= 320 cajas

Esto sugiere que el espacio del almacén es más que suficiente para

almacenar las cajas necesarias para 2000 kg de manzanas (60 cajas),

permitiendo una disposición que favorezca el acceso y manejo

adecuado.

c) Estimación de Personal

Para un almacén con las dimensiones especificadas (aproximadamente

2.5 m x 2.5 m x 2.5 m) y una capacidad de almacenamiento de 2000 kg

Donde:

( Q ) es la tasa de transferencia de calor

( K ) es la conductividad térmica del material aislante

( A ) es el área de la superficie a través de la cual se transfiere el calor

( T_interior es la temperatura interna del almacén (0°C)

( T_externa es la temperatura externa (33°C)

( L ) es el espesor del material aislante

Clasificación de

Aislante

Valores de Q/A en

[W/m²]

Excelente 9

Bueno 12

Aceptable 14

Regular 18

Malo >

Valores de aislante según categoría

Despejando L, se tiene:

Q

A

−K ( Tinterior−Texterior )

L

L=

K (Tinterior−Texterior )

Q

A

L=

W

m° C

× ( 0 − 33 ) ° C

W

m 2

=0.0069m × 100

se toma L=0.7 cm

e) Carga Térmica

La carga térmica total incluye:

▪ Pérdidas de calor a través de las paredes, techo, piso y puerta.

▪ Calor generado por la actividad humana y equipos en el almacén.

Para calcular la carga térmica de una pared:

Q=Σ(

Ki × Ai × ΔT

Li

Donde ( K_i ), ( A_i ), y ( L_i ) representan la conductividad térmica, el

área y el espesor de cada capa respectiva de la pared.

1. Perdida de calor por penetración (Qpen)

Área de las paredes Frontal, Lateral, Superior y Piso:

Frontal (Pared)

A = 2.5 m × 2.5 m × 2 = 12.50 m²

Lateral (Pared)

A = 12.50 m²

Superior (Techo)

A = 3.8 m × 3.8m = 14.44 m²

Piso

A = 6.25 m²

Puerta

A = 1.5 m × 2 m = 3 m²

Qpen=Qf +Ql+Qs+Qps+Qp

Qf =

− A ( Tin−Tex )

Lcem

Kcem

Kl

Ly

Ky

Lai

Kai

[

12.50 m 2 × ( 0 − 33 ) ° C

]

(

)

m 2 ° C

w

¿ 139.97 W

Qf =Ql

Ql=139.97 W

Qs=

− A ( Tin−Tex)

Lcem

Kcem

Lcom

Kcom

Lais

Kais

−14.44 m 2 ×( 0 − 33 ) ° C

(

)

m 2 ° C

w

=166.20 W

Densidad del aire en el Dpto de SantaCruz ( ρ=1.

kg

m 3

Calor específico del aire (Caire=1.

KJ

Kg° C

Por lo tanto el Qinf. Será:

Qinf =n× ρaire ×Vcámara × Caire ×(Tex−Tin)

Qinf =2.08 × 10

− 4

veces

s

× 1.

kg

m

3

×15.625 m

3

× 1.

KJ

kg ° C

× ( 33 − 0 ) ° C

Qinf =0.13 KJ =0.13 KW × 10

3

= 130 W

3. Pérdida de calor por el producto (Qprod)

Enfriando diariamente 2000 kg de manzanas de 33°C a 0°C.

m= 2000

kg

día

×

1 día

86400 s

kg

s

Calor específico de la manzana( Cman=3.

Kj

kg °C

Qprod=m×Cman ×( Tex−Tin )

Qprod=0.

kg

s

×3.

KJ

kg °C

× ( 33 − 0 ) ° C

Qprod=2.

KJ

s

=2.88 KW × 10

3

= 2880 W

4. Pérdida de calor por las personas que trabajan en el

frigorífico (Qper).

En una cámara frigorífica, el cuerpo humano reacciona de manera

diferente debido a la temperatura ambiente más baja. Sin embargo, el

calor liberado por el cuerpo durante la actividad física en términos de

energía metabólica no cambia drásticamente, aunque el cuerpo pueda

generar más calor para mantener la temperatura corporal.

Para una persona trabajando en condiciones de frío, como en una

cámara frigorífica, el cuerpo puede aumentar la producción de calor para

mantener la homeostasis térmica.

Asumiendo un rango de actividad física media a intensa en condiciones

de trabajo, podemos usar las siguientes tasas de calor liberado como

estimaciones:

En condiciones de frío, la tasa de producción de calor podría estar en el

extremo superior de estos rangos debido a la mayor demanda del

cuerpo para generar calor y mantener la temperatura corporal. Por lo

tanto, una estimación razonable podría estar cerca de 720 kJ/h para

actividad física ligera y hasta 1440 kJ/h o más para actividad física

intensa.

Tomando el promedio de q = 1080 KJ/h se tiene:

T = 4 h y n = 4 personas/día

Qper=n × q ×T

Qper= 4

personas

día

× 1080

kJ

personas× h

× 4 h= 17280

kJ

día

Qper= 17280

kJ

día

×

1 día

86400 s

kJ

s

=0.2 KW × 10

3

= 200 W

Carga térmica total

ÍTEM CARGA TÉRMICA

[W)

Penetración 539

Infiltración 130

Producto 2880

Personas 200

Total 3749

Qtotal= 3749 W =3.74 KW × 3410 = 12753 BTU /h

IV. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

  1. Dimensiones Adecuadas: El almacén debe tener

dimensiones de aproximadamente 2.5 m x 2.5 m x 2.5 m para

almacenar cómodamente 2000 kg de manzanas con espacio

adicional para maniobras

  1. Las dimensiones de las cajas para las manzanas podrían ser

0.52 m x 0.34 m x 0.32 m, lo que permite un almacenamiento

eficiente y manejable. La capacidad total del almacén es más