Diseño de Un Sistema de Refrigeración Para Un Barco Pesquero

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Introducción ... 1

Desarrollo teórico ... 1

Cálculo de la carga de enfriamiento ... 2

Calor de los productos a refrigerar... 2

Pérdida a través de las paredes ... 3

Renovación de aire (Aire exterior) ... 3

Calor liberado por personas ... 4

Flujo másico y de calor del agua de mar (refrigerante secundario) ... 5

Evaporador ... 6

Compresor ... 6

Condensador ... 6

Cálculos y Resultados ... 7

Calor de refrigeración del atún ... 8

Perdida por transferencia de calor a través de las paredes y techo ... 8

Renovación de aire ... 8

Calor liberado por personas ... 9

Carga total de refrigeración ... 9

Flujo másico y calor de agua de mar ... 9

Diagrama P-H del amoniaco ... 9

Evaporador ... 10 Compresor ... 10 Condensador ... 11 Otros equipos ... 11 Bombas centrifugas ... 11 Selección de Equipos ... 11 Evaporador ... 12 Compresor ... 12 Condensador ... 13 Otros equipos ... 14 Bombas centrifugas ... 14

Diagrama del sistema ... 15

Conclusiones ... 17

Recomendaciones ... 18

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Introducción

El presente trabajo se refiere al diseño de un sistema de refrigeración para un barco pesquero, que se puede definir como un sistema mecánico que utiliza propiedades termodinámicas de la materia para absorber energía de la carga a refrigerar en forma de calor y trasladar ese calor a un sumidero.

El sistema de refrigeración va a ser del tipo RSW (Refrigeration Sea Water) .Los sistemas RSW son básicamente un sistema de refrigeración tipo Chiller (enfriador de agua) que opera mediante el ciclo de refrigeración por compresión de vapor, el cual cuenta con elementos principales los cuales son: evaporador (chiller), compresor, condensador y válvula de expansión. Estos sistemas son utilizados normalmente en barcos pesqueros.

La elección de este sistema se debe a su instalación simple y económica, y la posibilidad de utilizar el agua de mar como como refrigerante.

Este trabajo fue desarrollado con un interés académico de diseñar un sistema el cual sirva para refrigerar la carga obtenida por los barcos de pesca, ya que se sabe que el pescado y los productos del mar en general son alimentos que no se conservan fácilmente. Tan pronto como el pescado se muere, empieza su descomposición. Se inician reacciones químicas en sus tejidos y empiezan a multiplicarse los microbios de la putrefacción.

El trabajo se realizó en base a las notas de clases de refrigeración y acondicionamiento de aire para buques, libros de principios de refrigeración e información obtenida de publicaciones en la web.

Desarrollo teórico

El sistema es básicamente de tipo Chiller que opera mediante el ciclo de refrigeración por compresión de vapor. La refrigeración por compresión se logra evaporando un gas refrigerante (refrigerante primario), en estado líquido a través de un dispositivo de expansión dentro de un intercambiador de calor, denominado evaporador (chiller). Para evaporarse este requiere absorber calor latente de vaporización. Al evaporarse el líquido refrigerante cambia su estado a vapor. Durante el cambio de estado el refrigerante en estado de vapor absorbe energía térmica del medio en contacto con el evaporador, en este caso agua de mar (refrigerante secundario). Luego de este intercambio energético, un compresor mecánico se encarga de aumentar la presión del vapor para poder condensarlo dentro de otro intercambiador de calor conocido como condensador y hacerlo líquido de nuevo. El refrigerante en estado líquido, puede evaporarse nuevamente a través de la válvula de expansión y repetir el ciclo de refrigeración por compresión.

Cuando el calor del refrigerante secundario es extraído y su temperatura baja, a este refrigerante se lo hace circular dentro de la bodega de pescado, el cual absorbe el calor de la carga de enfriamiento. Esta carga rara vez es originada por una solo fuente. Más bien, es la suma de varias cargas térmicas que pueden ser resultado de varias fuentes de calor.

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Ilustración 1. Sistema de refrigeración tipo chiller [1]

Para iniciar con el diseño, primero se realizar el calcula de la carga de refrigeración

Cálculo de la carga de enfriamiento

Como se mencionó antes, la carga de enfriamiento rara vez es originada por una solo fuente. Más bien, es la suma de varias cargas térmicas que pueden ser resultado de varias fuentes de calor. Esta carga puede calcularse como.

𝑄𝑡 = 𝑄𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠+ 𝑄𝑜𝑡𝑟𝑎𝑠 𝑓𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛1

La carga total (Qt) de una instalación frigorífica es el número de frigorías que deben obtenerse, o dicho de manera más correcta, la cantidad de calorías que deben extraerse a fin de mantener la temperatura deseada en la cámara, nevera o recinto a enfriar.

Dicha cifra procede del total de calor que entra en el espacio a refrigerar por el conjunto de las causas siguientes.

Productos

 Calor de los productos a refrigerar Otras fuentes

 Perdida a través de las paredes

 Aire exterior

 Calor liberado por la personas

 Calor liberado por iluminación

 Calor liberado por maquinas

 Calor de embalaje

 Calor por reacción y renovación de aire en frutas y verduras

Ya que nuestro barco solo lleva pescado y no vamos a tener focos ni bombas dentro de la cámara, en solo vamos a considerar solo las cuatro primeras fuentes.

Calor de los productos a refrigerar

El calor de los productos a refrigerar se lo determina con la siguiente ecuación. 𝑄𝑐 = 𝑚 ∗ 𝐶𝑝 ∗ (𝑇2 − 𝑇1) 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 2

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3 Donde

Qc= Calor del producto [ Kj] m=Masa del pescado [kg]

Cp=Calor especifico del pescado [Kj/kg*ºC] T= Diferencia de temperatura [ºC]

Pérdida a través de las paredes

La cantidad de calor por pérdidas a través de las paredes depende de cuatro factores:

 Superficie total exterior de las bodegas (S [m2])

 Conductividad del aislamiento empleado (K [W/m*ºC])

 Diferencias de temperatura del interior y exterior de las bodegas (T [ºC])

 Espesor del aislante (t [m])

Por lo tanto el flujo calor equivalente a las pérdidas a través de las paredes es 𝑄𝑝= 𝑆 ∗

𝐾

𝑡 ∗ (𝑇2 − 𝑇1) [𝑊] 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 3 Renovación de aire (Aire exterior)

La aireación de la cámara es necesaria, esta ventilación se produce por la frecuencia de aperturas de las puertas para la entrada y salida de género de la misma.

El número de renovaciones puede establecerse por hora o por día, para ello podemos utilizar la siguiente fórmula.

𝑄𝑎= 𝑉 ∗ ℎ ∗ 𝑛 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 4

Donde

Qa= Flujo de calor aportado por el aire [W] V= Volumen de la cámara [m3]

h= Calor del aire por metro cubico [W/m3] n= Numero de renovaciones de aire por día

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Tabla 1. Renovaciones de aire por día [2]

Como se puede observar en la tabla 1, las renovaciones de aire dependen del volumen de la bodega.

Tabla 2. Calor de aire en W/m3 [2]

En la tabla 2 se puede obtener el calor de aire conociendo la temperatura interior y exterior de la bodega.

Calor liberado por personas

Las personas que entran a una cámara también liberan calor.

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5 Como se puede observar en la tabla 3, el flujo de calor depende de la temperatura a la que se encuentra la persona. Si se tienen más personas en la bodega, la potencia debe de ser multiplicada por el número de personas.

Todos los flujos de calor encontrados anteriormente son calculados en periodos de 24 horas. Si se desea encontrar el flujo en un tiempo distinto, hay que aplicar la siguiente ecuación

𝑄′=𝑄 ∗ 24

ℎ 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 5 Donde

Q’= Flujo de calor en un tiempo requerido [W]

Q=Flujo de calor calculado con las formulas anteriores [W] h= Tiempo requerido [h]

Esta relación nos será útil para saber el tiempo en el que se debe de refrigerar el agua de mar (refrigerante secundario) antes de llegar a la zona de pesca.

Flujo másico y de calor del agua de mar (refrigerante secundario)

El flujo másico de agua de mar que debe de circular en la bodega se lo calcula con la siguiente ecuación.

𝑚𝑟2=

𝑉 ∗ 𝜌

𝑡 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 6 Donde

V= Volumen ocupado por el agua de mar [m3] ρ= Densidad del agua de mar [kg/m3]

t= Tiempo en que se debe refrigerar el agua [h]

Para encontrar el tiempo en que se debe de refrigerar el agua utilizamos la siguiente relación. 𝑡 =𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 [𝐾𝑗/ℎ]

𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑟 [𝐾𝑗] 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 7

El flujo de calor de la carga de refrigeración se la calcula con la ecuación 5, donde h depende de la carga a refrigerar.

Ya obtenido el flujo másico del agua de mar, procedemos a encontrar el flujo de calor. 𝑄𝑟2= 𝑚𝑟2∗ 𝐶𝑝∗ 𝑇 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 8

Donde

Cp= Calor especifico del agua de mar [Kj/Kg*ºC] T= variación de la temperatura [ºC]

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Evaporador

El flujo de calor del evaporador será el mismo que el del agua de mar. Obtenido el flujo del calor se procede a calcular el flujo másico del refrigerante primario (en nuestro caso amoniaco).

𝑚𝑟1 =

𝑄𝑟1

ℎ𝑓 − ℎ𝑖 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 9 Donde

Qr1=Qr2= Flujo másico del agua de mar [Kj/h]

hi= entalpia al inicio del proceso de evaporización [Kj/kg] hf= entalpia al final del proceso de evaporización [Kj/kg]

Pala la elección del evaporador es necesario obtener las toneladas de refrigeración. Para esto vamos a hacer uso de la siguiente conversión

𝑄𝑟1 𝐾𝑗 ℎ ∗ 1000𝑗 1𝐾𝑗 ∗ 1𝐵𝑇𝑈 1055.056𝑗∗ 1𝑡𝑜𝑛. 𝑟𝑒𝑓 12000𝐵𝑡𝑢/ℎ

Compresor

El flujo másico del refrigerante primario deberá de ser el mismo en todo el sistema. Conocido el flujo másico del refrigerante (obtenido de la ecuación 9) se procede a calcular la potencia requerida en el compresor.

𝑃 = 𝑚𝑟1∗ (ℎ𝑓 − ℎ𝑖) 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛10

Donde

P= potencia requerida en el compresor [Kj/h] mr1= flujo másico del agua de mar [Kg/h]

hi= entalpia al inicio del proceso de compresión [Kj/kg] hf= entalpia al final del proceso de compresión [Kj/kg]

Para obtener la potencia en HP realizamos la siguiente conversión 𝑃𝐾𝑗 ℎ ∗ 1000𝑗 1𝐾𝑗 ∗ 1𝐵𝑇𝑈 1055.056𝑗∗ 0.2930 𝑊𝑎𝑡𝑡𝑠 1𝐵𝑡𝑢 ℎ ∗ 1𝐻𝑃 746𝑊𝑎𝑡𝑡𝑠

Condensador

Para obtener el flujo de calor del condensador se hace uso de la ecuación 10, en donde hi y hf serán la entalpia al inicio y final del proceso de condensación respectivamente.

Al igual que el evaporador es necesario obtener las toneladas de refrigeración. Para esto se hace uso de la transformación vista anteriormente.

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Cálculos y Resultados

Se va a considerar un barco pesquero el cual se dedica a la captura del atún. A continuación se presentan las dimensiones principales y capacidad de las bodegas de la embarcación.

Tabla 4. Dimensiones principales del barco pesquero Dimensiones principales del barco

Eslora 32 m

Manga 7.5 m

Puntal 3.44 m

Calado 3 m

Tabla 5. Capacidad de las bodegas del barco pesquero Capacidad bodegas

Babor Estribor

Bodega 1 54 m3 Bodega 1 54 m3

Bodega 2 34 m3 Bodega 2 34 m3

En la siguiente tabla se presentan los requerimientos del sistema, características del atún y aíslate.

Tabla 6. Requerimientos del sistema Requerimientos Capacidad 1 de pescado 21.6 m3 Capacidad 2 de pescado 13.6 m3 Temperaturas Agua de mar 28 C Interior bodega -2 C Exterior bodegas 31 C Tiempo

Tiempo de refrigeración 2 horas

Se tomó como temperatura promedio del agua de mar un valor de 28 ºC. Como tiempo en el que debe de refrigerarse el atún se tomó 2 horas. Este valor fue sugerido en la clase de refrigeración y acondicionamiento de aire para buques

Tabla 7. Características del atún Atún

Punto de congelamiento 30 F

Temperatura de congelamiento 10 F

C. especifico arriba de congelamiento 0.82 BTU/ lb*h*F

Calor especifico 3.47 Kj /kg*C

Tabla 8. Características del aislante Aislante

Espesor paredes 100 mm

Espesor suelo 120 mm

K poliuretano expandido 0.041 W/C*m2

K poliestireno plancha 0.041 W/C*m3

El material y espesores de los aislantes fueron obtenidos de la hoja de cálculo sobre el balance térmico en cámaras frigoríficas. Esta hoja de cálculo fue proporcionada por el ingeniero Patrick Townsend profesor de la materia de refrigeración y acondicionamiento de aire para buques.

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Calor de refrigeración del atún

A continuación se presentan el flujo de calor del atún.

Tabla 9. Flujo de calor del atún Calor del pescado

Densidad neta de almacenaje 400

Capacidad total de pescado 35.2 m3

Masa(densidad neta X capacidad) 14080 kg

T2 28 C

T1 -2 C

Cp 3.47 Kj /kg*C

Qc 1465728 Kj

El flujo de calor se obtuvo a partir de la ecuación número 2.

La densidad neta de almacenaje se obtuvo de la hoja de cálculo que fue proporcionada por el ingeniero Patrick Townsend.

Como capacidad total del pescado se tomaron las bodegas de un lado de la embarcación.

Perdida por transferencia de calor a través de las paredes y techo

Para el cálculo de la perdida de calor a través de las bodegas se requiere primero el área total de contacto.

Tabla 10. Área total de transferencia de calor

Dimensiones promedio de bodegas

Larg (m) Ancho (m) Alto (m)

Área Total de transferencia (m2) paredes y techo

Área Total de transferencia (m2) paredes y techo

Bodega 1 7.32 2.87 2.570 54.577 21.008 Bodega 2 4.66 2.87 2.542 39.813 13.374

En la siguiente tabla se muestra el calor a través de las paredes, techo y piso.

Tabla 11. Calor a través de las paredes, techo y piso Perdidas por transferencia de calor a través de las paredes y techo

K(W/C*m) S(m2) T2© T1© t(m) Qp(W)

Bodega 1 0.041 54.57782937 28 -2 0.1 671.3073013 Bodega 2 0.041 39.81316457 28 -2 0.1 489.7019243 Perdidas por transferencia de calor a través del piso

K(W/C*m) S(m2) T2© T1© t(m) Qp(W)

Bodega 1 0.041 21.0084 28 -2 0.12 215.3361

Bodega 2 0.041 13.3742 28 -2 0.12 137.08555

El flujo de calor se obtuvo a partir de la ecuación número 3.

Renovación de aire

A continuación se presenta el flujo de calor por renovación de aire.

Tabla 12. Flujo de calor perdido por renovación de aire Calor por renovación de aire

Calor del aire 4.4 W/m3

Volumen de la cámara 88 m3

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Calor 3872 W

Los valores para el cálculo fueron obtenidos de la tabla 1 y 2.

Calor liberado por personas

De la tabla 3 se obtiene el calor liberado por personas. A continuación se muestra en resultado

Tabla 13. Flujo de calor liberado por personas Calor por personas

Grado de actividad Calor W

De pie trabajo ligero, caminando 300

Carga total de refrigeración

El flujo de calor que se presenta esta calculado para 2 horas.

Tabla 14. Flujo de calor total

Tiempo de refrigeración 2 h Q por pedidas 65380.21 Kj Q carga 732864.00 Kj Q personas 12960.00 Kj Q renovación de aire 167270.40 Kj Q total 978474.61 Kj

Flujo másico y calor de agua de mar

A continuación se presenta la cantidad de calor del agua de mar

Tabla 15. Calor del agua de mar Agua de mar

Capacidad en bodega 52.8 m3

Densidad 1025 Kg/m3

Masa 54120 Kg

Calor especifico 0.93 Kcal/kg*C

Temperatura 2 28 C

Temperatura 1 -2 C

Calor 6321409.286 Kj

Para encontrar el flujo másico y flujo de calor se necesita encontrar el tiempo en el que se debe de refrigerar el agua. Para esto se hace uso de la ecuación número 7. A continuación se presenta el resultado

Tabla 16. Tiempo, Flujo másico y de calor del agua de mar

T 6.5 h

Flujo de calor total del agua de mar 978474.6138 Kj/h Flujo másico del agua de mar 8377.094997

Diagrama P-H del amoniaco

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Ilustración 2. Diagrama P-H del amoniaco

En el diagrama podemos encontrar las entalpias y presiones a las cuales va a trabajar el sistema.

Tabla 17. Temperaturas, Entalpias y Presiones en el sistema

T (ºC) Ts (ºC) hf(Kj/Kg) hi(Kj/Kg) Pi(kpa) Pf(kpa)

Compresor -12 90 1700 1450 300 1650

Condensador 38 38 380 1700 1650 1650

Válvula expansión 38 -12 380 380 1650 300

Evaporador -12 -12 1450 380 300 300

Evaporador

En la siguiente tabla se muestran los resultados en el evaporador

Tabla 18. Requerimientos en el evaporador Evaporador(refrigerante-salmuera)

Flujo de calor de evaporación(Kj/h) 977911.9264 Calor de evaporación(Kj/kg) 1070

Flujo másico(Kg/h) 913.9363798

Btu/h 926930.7359

Ton. Refrigeración 77.24422799

Compresor

En la siguiente tabla se muestran los resultados en el compresor

Tabla 19. Requerimientos en el compresor Compresor

Flujo másico(Kg/h) 1827.87276 Flujo volumétrico(m3/h)

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Incremento de presión(kpa) 1350

Potencia(HP) 170.2234433

El flujo másico de refrigerante en el compresor es el doble que en el evaporador. Esto se debe a que nuestro sistema consta de dos chillers (uno para babor y otro para estribor) y un compresor. Por lo tanto el compresor va a recibir el flujo de los dos chillers.

Condensador

En la siguiente tabla se muestran los resultados en el condensador

Tabla 20. Requerimientos en el condensador Condensador

Flujo másico(Kg/h) 1827.87276

Calor de condensación(Kj/kg) 1320 Flujo de calor de condensación(Kj/h) 2412792.043

Btu/h 2287006.676

Ton. Refrigeración 190.5838896

El flujo másico del refrigerante en el condensador es igual que el del compresor

Otros equipos

Bombas centrifugas

El flujo volumétrico requerido de las bombas para circular el agua de mar (refrigerante secundario) en las bodegas se lo obtiene dividendo el flujo másico para la densidad del agua de mar.

𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 =𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚𝑎𝑠𝑖𝑐𝑜

𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 11 Aplicando esta fórmula se obtiene es de 8.17 m3/h.

El flujo volumétrico requerido de las bombas para circular el agua de mar (sumidero) en el condensador se lo obtiene multiplicando el flujo de calor en el condensador por el calor especifico del agua de mar por la variación de temperatura y dividiendo para la densidad del agua de mar.

𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 =𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑟 ∗ 𝐶𝑝 ∗ 𝑇

𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 12

Aplicando esta fórmula se obtiene es de 60.5 m3/h.

Selección de Equipos

A continuación se van a seleccionar los elementos del sistema de refrigeración en base a los requerimientos calculados.

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Evaporador

Se seleccionó un evaporador marca ONDA modelo MPE-300, el cual puede trabajar con amoniaco y alcanza hasta 85.3 toneladas de refrigeración. Estos valores cumplen con los requerimientos de la tabla 18.

Ilustración 3. Especificaciones

Compresor

Se seleccionó un compresor Vilter modelo 456 XL, el cual puede trabajar con amoniaco y alcanza una potencia de 298 HP. Alcanza una potencia máxima de descarga de 1800 Kpa. Estos valores cumplen con los requerimientos de las tablas 17 y 19.

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Ilustración 4. Compresor Vilter

Ilustración 5. Especificaciones

Condensador

Se seleccionó un evaporador marca ONDA modelo CT-750, el cual puede trabajar con amoniaco y alcanza hasta 213.2 toneladas de refrigeración. Estos valores cumplen con los requerimientos de la tabla 20.

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Ilustración 6. Especificaciones

Otros equipos

Bombas centrifugas

El flujo volumétrico requerido de las bombas para circular el agua de mar (refrigerante secundario) en las bodegas es de 8.17 m3/h, mientras que el flujo volumétrico requerido de las bombas para circular el agua de mar (sumidero) en el condensador es de 60.5 m3/h.

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Diagrama del sistema

A continuación se presenta el diagrama del sistema.

Ilustración 8. Vista superior

Ilustración 9. Vista superior de la proa

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Ilustración 11. Vista superior en el peak de proa

Ilustración 12. Vista superior de proa del lado de estribor

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Ilustración 13. Diagrama 3D del sistema con sus principales elementos

Conclusiones

Entre todas las cargas de refrigeración, la más significativa es la carga del producto a refrigerar. Existe una relación entre el tiempo en el que se debe de refrigerar la carga con el tiempo en que se debe de tener refrigerada el agua de mar, esta relación pudo ser vista en la ecuación7.

Se logró diseñar un sistema de refrigeración de un barco pesquero, el cual opera con un refrigerante primario (amoniaco) y refrigerante secundario (agua de mar). En el cual el refrigerante primario absorbe calor del secundario y el secundario absorbe calor de las carca a refrigerar.

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Recomendaciones

Para el diseño de un sistema de refrigeración, hay que guiarse en un sistema ya existente de una embarcación similar para evitar resultados no razonables en los cálculos.

Bibliografía

[1] Montaje y equipamiento de un barco sardinero refrigerado, Marco Avilés Arciniegas, Escuela Superior Politécnica Del Litoral, Guayaquil-Ecuador 2010.

[2] Balance térmico de una instalación frigorífica, Miguel Devesa Devesa y Vicente Sellés Benlloch.

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