Diseño y simulación de un sistema de ultra congelación con temperatura de trabajo de hasta -90 °C, para un congelador de 1.2 m³ de capacidad.

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Título : Diseño y simulación de un sistema de ultra congelación con temperatura de trabajo de hasta -90 °C, para un congelador de 1.2 m³ de capacidad.
Autor : Argüello Argüello, Manuel Guillermo
Director de Tesis: Maldonado Dávila, Carlos Iván
Resumen traducido: This research project proposes the design and simulation of a cascade system with the capacity to obtain cryogenic temperatures (-90 °C) in a volume of 1.2 m³. The mathematical analysis is based on two refrigeration circuits, the first with hydrofluorocarbon refrigerant R134a, which condenses the refrigerant of circuit 1, with R744. By varying parameters such as speed and pressure, the aim is to reach the proposed temperature, taking into account limitations such as the supercritical point, as well as the triple point of CO₂. A copper coil type evaporator is obtained for R744 and that at the same time will transmit the temperature to the internal stainless steel wall, the dimensions of the coil correspond to 9 meters in length and 7.5 mm in diameter. The working pressure and enthalpy are obtained from the Mollier cycle, with which a heat transfer analysis is carried out. Using the EES software, which has flow bowling analysis, the proposed equations are solved and the simulation is carried out based on a layout with a six-turn coil. Meshing in Ansys Fluent using body sizing resulted in 3078 nodes and 4100 elements. Several simulations are shown with variation of parameters such as enthalpy, behavior of liquid and vapor throughout the evaporator, evaluation of quality and enthalpy of the refrigerant, working pressures and degree of turbulence. The final result shows that the proposed temperature of -90 °C cannot be reached because when the pressure drops below 5.2 bar and therefore the temperature to -56.6 °C, the pipe presents blockages produced by the CO₂ in solid state. In addition to preventing the continuous flow of the refrigerant, they are dangerous because they produce clumps that increase the pressure, causing accidents due to pipe ruptures.
Resumen : El presente proyecto de investigación plantea el diseño y la simulación de un sistema en cascada con capacidad de obtener temperaturas criogénicas (-90 °C) en un volumen de 1.2 m³. Se parte del análisis matemático con dos circuitos de refrigeración, el primero con refrigerante hidrofluorcarbonado R134a, que condensa el refrigerante del circuito 1, con R744. Con variación de parámetros como velocidad, presión, se busca llegar a la temperatura propuesta, tomando en cuenta limitantes como el punto supercrítico, así como el punto triple del CO₂. Se obtiene un evaporador tipo serpentín de cobre para R744 y que a la vez transmitirá la temperatura a la pared interna de acero inoxidable, las dimensiones del serpentín corresponden a 9 metros de longitud y 7.5 mm de diámetro. Del ciclo de Mollier se obtiene la presión de trabajo, entalpía, con los cuales se realiza un análisis de transferencia de calor. Por medio del software EES, que tiene análisis de flow bowling se resuelve las ecuaciones planteadas y se realiza la simulación partiendo de un layout con un serpentín de seis vueltas. Del mallado en Ansys Fluent mediante body sizing, se obtuvo como resultado 3078 nodos y 4100 elementos. Se muestran varias simulaciones con variación de parámetros tales como entalpía, comportamiento de líquido y vapor a lo largo del evaporador, evaluación de calidad y entalpía del refrigerante, presiones de trabajo y grado de turbulencia. El resultado final muestra que no se puede llegar a la temperatura planteada de -90 °C pues al descender la presión por debajo de 5.2 bar y por ende la temperatura a -56.6 °C, la tubería presenta taponamientos producidos por el CO₂ en estado sólido que más allá de impedir el flujo continuo del refrigerante son Página 9 de 91 peligrosos pues produce aglutinamientos que elevan la presión, causando accidentes por rupturas de tubería
Palabras clave : INGENEIRÍA MECÁNICA
REFRIGERACIÓN INDUSTRIAL
CIRCUITOS ELÉCTRICOS
REFRIGERANTES
MOLLIER
Fecha de publicación : 2024
URI : http://dspace.ups.edu.ec/handle/123456789/29556
Idioma: spa
Pertenece a las colecciones: Posgrado

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