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An�lisis de la velocidad de enfriamiento y de formaci�n de un bloque de hielo

 

Analysis of the speed of cooling and formation of a block of ice

 

An�lise da velocidade de resfriamento e forma��o de um bloco de gelo

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: edwin.jacome@espoch.edu.ec

 

 

Ciencias T�cnica y Aplicadas ���

Art�culo de Investigaci�n

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* Recibido: 23 de marzo de 2023 *Aceptado: 12 de abril de 2023 * Publicado: �10 de mayo de 2023

 

1. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, ESPOCH, Facultad de Mec�nica, Riobamba, Ecuador.
2. Universidad Polit�cnica Salesiana de Pichincha, UPS, Facultad de Ingenier�a, Quito, Ecuador.
3. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, ESPOCH, Facultad de Mec�nica, Riobamba, Ecuador.

Resumen

En el presente trabajo se detalla el proceso de dise�o, construcci�n y pruebas de un generador de hielo en bloques, con el fin de calcular la velocidad enfriamiento del agua, y la de formaci�n de un bloque de hielo de 5kg. El control del sistema se realiza mediante un controlador de temperatura, un sensor de nivel y uno de temperatura. Para la adquisici�n de datos se elabor� una matriz con 12 sensores ubicados en las tres direcciones. La capacidad del equipo es 10 kg, dos moldes de 5 kg cada uno. Las pruebas se realizaron con agua ablandada y agua normal (de grifo) a diferentes temperaturas de la salmuera. Las pruebas se realizaron varias veces obteniendo datos diferentes, pero curvas similares. Es as� que en el enfriamiento de agua normal se hall� tres zonas y con agua ablandada dos zonas. En la formaci�n de hielo tanto con agua normal como agua ablandada su comportamiento determina cuatro zonas. El enfriamiento de agua normal respecto al agua ablandada es un 30% m�s r�pida, en la formaci�n de hielo se puede notar que a partir del agua normal se obtiene hielo un 9,26% m�s r�pido que con agua ablandada, pero afectando su resistencia.

Palabras Clave: bloque; dise�o; generador; hielo; velocidad.

 

Abstract

This paper details the design, construction and testing process of a block ice generator, in order to calculate the cooling speed of the water, and the formation of a 5kg block of ice. The control of the system is carried out by means of a temperature controller, a level sensor and a temperature sensor. For data acquisition, a matrix with 12 sensors located in the three directions was developed. The capacity of the equipment is 10 kg, two molds of 5 kg each. The tests were carried out with softened water and normal (tap) water at different brine temperatures. The tests were performed several times obtaining different data, but similar curves. Thus, in normal water cooling three zones were found and with softened water two zones. In the formation of ice both with normal water and softened water, its behavior determines four zones. The cooling of normal water compared to softened water is 30% faster, in the formation of ice it can be noted that from normal water ice is obtained 9.26% faster than with softened water, but affecting its resistance.

Keywords: block; design; generator; ice; speed.

 

 

Resumo

Este trabalho detalha o processo de projeto, constru��o e teste de um gerador de bloco de gelo, a fim de calcular a velocidade de resfriamento da �gua e a forma��o de um bloco de gelo de 5kg. O controle do sistema � realizado por meio de um controlador de temperatura, um sensor de n�vel e um sensor de temperatura. Para aquisi��o dos dados, foi desenvolvida uma matriz com 12 sensores localizados nas tr�s dire��es. A capacidade do equipamento � de 10 kg, sendo dois moldes de 5 kg cada. Os testes foram realizados com �gua amolecida e �gua normal (torneira) em diferentes temperaturas de salmoura. Os testes foram realizados v�rias vezes obtendo dados diferentes, mas curvas semelhantes. Assim, no resfriamento normal da �gua foram encontradas tr�s zonas e com �gua amolecida duas zonas. Na forma��o do gelo tanto com �gua normal quanto com �gua amolecida, seu comportamento determina quatro zonas. O resfriamento da �gua normal em compara��o com a �gua amolecida � 30% mais r�pido, na forma��o do gelo pode-se notar que a partir da �gua normal o gelo � obtido 9,26% mais r�pido do que com a �gua amolecida, mas afetando sua resist�ncia.

Palavras-chave: bloquear; projeto; gerador; gelo; velocidade.

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Introducci�n

En la actualidad existen diversos equipos de refrigeraci�n y conservaci�n de alimentos, en su mayor�a son domiciliarios, pero en la industria tambi�n se la utiliza, sobre todo en la producci�n de alimentos procesados, industria pesquera, entre otros. Estos equipos dependiendo de la capacidad frigor�fica varia su costo y su volumen por lo cual en muchos casos no se tienen los dos recursos y es necesario otra soluci�n.

A partir de esta problem�tica aparecieron las plantas de producci�n de hielo en sus diversas presentaciones, con el suficiente espacio para producci�n y almacenamiento satisfaciendo as� un amplio mercado, sobre todo en la zona costera, tanto para lo que es para barcos pesqueros, como para puertos de comercializaci�n de estos productos y para enfriar bebidas en los puntos tur�sticos.

En nuestro pa�s estas plantas de producci�n de hielo han reemplazado a los antiguos hieleros (Baltasar Ushca, un quichua de 64 a�os, es conocido como el �ltimo hielero del Chimborazo.) que abastec�an de hielo extra�do de los nevados a los diversos mercados de las serran�a sobre todo.

El beneficio de utilizar el generador de hielo en bloques de producci�n en serie, es que en la actualidad estas son las necesidades que se presentan en las industrias de alimentos, en barcos y puertos pesqueros; a fin de reducir costos de producci�n, espacio y tiempo, al contar con un producto ya elaborado en el momento que se lo desee usar.

En el mercado actual existen varias empresas que construyen este tipo de m�quinas con costos que van desde los 5000 a 20000 d�lares dependiendo de su capacidad, los principales proveedores de estas m�quinas se encuentran en China.

 

Metodolog�a

la metodolog�a utilizada para realizar las pruebas de experimentaci�n consiste dise�ar un sistema de generaci�n hielo en bloque para utilizarlo como un banco de pruebas, que trabaje de manera eficiente, de f�cil limpieza, despu�s de su uso. Pero, adem�s se busca obtener el tama�o y condiciones normadas de hielo en uso industrial y comercial.

La m�quina de hielo en bloques tradicional fabrica el hielo en moldes que se sumergen en un tanque con refrigerante secundario; por lo general salmuera, glicol u otro, en circulaci�n. Las dimensiones de los moldes y la temperatura del refrigerante se seleccionan habitualmente de manera que el per�odo de congelaci�n dure entre 8 y 24 horas.

Se realizar� pruebas para corroborar� el correcto funcionamiento de la misma y se realizara pr�cticas de velocidad de enfriamiento y de congelaci�n del agua.

 

Consideraciones para dise�o

El tama�o del bloque de hielo propuesto equivale a formar 10 Kg de hielo en 2 moldes de 114 x 94 x 470 mm en un tiempo de 10 horas, considerando que el equipo a construir ser� utilizado para pr�cticas de laboratorio, no se necesita gran capacidad de producci�n, sino m�s bien es un estudio demostrativo de generaci�n de hielo.

 

Espesor de aislante

El material seleccionado como aislante t�rmico es espuma de poliuretano y se determina mediante la siguiente ecuaci�n.

(CENGEL., 2011 p�g. 139)

Figura 1. Espesor del aislante

 

Determinaci�n de carga t�rmica

Figura 2. Tanque para salmuera.

 

(CENGEL., 2011 p�g. 139)

(CENGEL., 2011 p�g. 476)

La capacidad calor�fica (calor sensible del refrigerante)

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(CENGEL., 2011 p�g. 12)

Figura 3. Calor requerido y capacidad calor�fica del equipo.

 

Se realiza el dise�o mec�nico de los elementos que van a estar conformando la m�quina, con ayuda del programa Solid Works.

 

TANQUE:

Figura 4. An�lisis est�tico del tanque (Von Mises)

 

 

 

 

ESTRUCTURA:

Figura 5. An�lisis est�tico de la estructura

 

Elementos para control autom�tico

Para el control de la m�quina se cuenta con los siguientes elementos:�

El MT-512Ri plus es un controlador digital de temperatura para congelados cuyo objetivo es automatizar los procesos de deshielo de acuerdo con las necesidades de cada instalaci�n, proporcionando gran econom�a de energ�a. (FULLGAUGE, 2013)

El sensor de nivel es un interruptor de flotador es un dispositivo utilizado para detectar el nivel de l�quido en un tanque. (WORDPRESS, 2103)

Un rel� temporizador es un componente que est� dise�ado para temporizar eventos en un sistema de automatizaci�n industrial, cerrando o abriendo contactos antes, durante o despu�s del per�odo de tiempo ajustado. (ELECTROINDUSTRIA, 2014)

 

Adquisici�n de datos

Se consideraron utilizar sensores dallas ds18b20 para adquirir datos de temperatura estos sensores est�n dispuestos en un soporte de manera que se cubra toda la distancia de la pared del molde al centro del mismo, en la siguiente figura se muestran la distribuci�n.

Figura 6. Disposici�n de sensores.

 

Resultados

Para la generaci�n de hielo en bloques es necesario establecer las condiciones iniciales y analizar cada etapa del proceso que a continuaci�n se menciona.

Para la presente investigaci�n se considera una temperatura de la salmuera de (-8,5 a -7,5) �C

 

Formaci�n de hielo

En la tabla muestra el espesor y la forma como se va generando de hielo cada hora.

Tabla 1. Espesor de pared de hielo formado cada hora

 

Al graficar los datos se puede apreciar� que el espesor de hielo formado presenta una tendencia lineal con respecto al tiempo del proceso, descrita por la ecuaci�n:

D�nde:

e: Espesor de hielo formado. (mm)

t: tiempo de inmersi�n en salmera a -8 �C. en horas

 

Figura 7. Espesor vs tiempo.

 

Velocidad de enfriamiento

En esta pr�ctica se realizara la adquisici�n de datos de temperatura en el proceso de enfriamiento del agua. Para lo cual se tomaran lecturas de los sensores cada � minuto (30 segundos) hasta que la temperatura del� agua sea los m�s cercano a cero, en este caso se resolvi� bajar hasta 0,5�C.

 

Enfriamiento agua ablandada

 

Tabla 2. Condiciones ambientales de la pr�ctica

Figura 8. Regi�n en la curva de enfriamiento

Tabla 3. Datos de la zona de enfriamiento r�pido

Tabla 4. Datos de la zona de enfriamiento lento

 

 

Tabla 5. Condiciones ambientales de la pr�ctica

Figura 9. Regi�n en la curva de enfriamiento

Tabla 6. Datos de la zona de enfriamiento r�pido

Tabla 7. Datos de la zona de enfriamiento normal

 

Tabla 8. Datos de la zona de enfriamiento lento

 

Velocidad de formaci�n de hielo

En esta pr�ctica se realizara la adquisici�n de datos de temperatura en el proceso de enfriamiento del agua. Para lo cual se tomaran lecturas de los sensores cada 10 minutos� hasta que el bloque de hielo este formado completamente.

 

 

Velocidad de formaci�n de hielo con agua ablandada

Tabla 9. Condiciones ambientales de la pr�ctica

Figura 9. Regi�n en la curva de formaci�n de hielo.

Tabla 10. Datos de la zona de enfriamiento

Tabla 11. Datos de la zona de cambio de estado

Tabla 12. Datos de la zona de sub enfriamiento

Tabla 13. Datos de la zona de equilibrio

 

Velocidad de formaci�n de hielo con agua normal

Tabla 14. Condiciones de la pr�ctica

Figura 15. Curva de formaci�n de hielo.

Tabla 15. Datos de la zona de enfriamiento

Tabla 16. Datos de la zona de cambio de estado

Tabla 17. Datos de la zona de sub enfriamiento

Tabla 18. Datos de la zona de equilibrio

 

Generador de hielo

El equipo dise�ado genera 10 kg de hielo en un tiempo de 10 horas, el dise�o t�rmico se realiz� mediante el c�lculo de las cargas t�rmicas, con el fin de minimizar las mismas se ubic� un aislamiento t�rmico (espuma de poliuretano) de 2 pulg de espesor por todo el tanque de almacenamiento de la salmuera, el dise�o estructural se lo realiz� mediante un an�lisis CAE de los elementos y recomendaciones dadas por los fabricantes de estos equipos.

 

Control autom�tico

El control autom�tico se realiza mediante una tarjeta arduino uno, un sensor de nivel y un controlador de temperatura, en el controlador de temperatura se puede establecer diferentes temperaturas para la salmuera para este caso de investigaci�n se determin� una temperatura entre -8,5 �C y -7,5 �C.

Adquisici�n de datos

Para el sistema de adquisici�n de datos se utiliz� sensores dallas ds18b20 los mismos que se ingresan dentro del agua a formar hielo dispuestos en una matriz, cada medida tomada con los sensores se corrobor� con una termocupla tipo I para ver la precisi�n de las medidas las cuales resultaron aceptables.

 

Conclusiones

El principio de funcionamiento del generador de hielo en bloques se basa en la transferencia de calor por convecci�n forzada y ha sido la base fundamental para el dise�o del equipo. El generador de hielo en bloque tiene la capacidad de generar 10 kg, en dos bloques de 5 kg cada uno, en condiciones de trabajo similares a las m�quinas de producci�n en masa. En las experiencias realizadas genera los 10 kg entre 9 y 10 horas � 30 minutos aproximadamente, lo cual est� dentro de las recomendaciones de los fabricantes este tipo de equipos, para que el hielo tenga la resistencia suficiente para poder ser manipulado, almacenado y transportado. Se tomaron datos de temperatura en el enfriamiento del agua para el c�lculo de la velocidad de enfriamiento, se elaboraron las curvas de Temperatura vs tiempo en las que se puede observar el comportamiento del agua ante el descenso de temperatura, se puede notar que hay zonas muy definidas en este proceso. Para el agua ablandada se determin� que la velocidad de enfriamiento desde la temperatura ambiente hasta aproximadamente cero (0,5�C sugerido) se demora alrededor de 45:50 minutos y se denota dos zonas claramente definidas, en cada una de ellas se calcul� la velocidad de enfriamiento, zona 1, enfriamiento r�pido:� �y zona 2, enfriamiento lento: . Para el agua normal se determin� que la velocidad de enfriamiento desde la temperatura ambiente hasta aproximadamente cero (0,5�C sugerido) se demora alrededor de 31 minutos y se denota tres zonas claramente definidas, en cada una de ellas se calcul� la velocidad de enfriamiento, zona 1, enfriamiento r�pido: �; zona 2, enfriamiento lento: �y la zona 3, enfriamiento m�s lento: . Para el proceso de formaci�n de hielo se obtuvieron datos de temperatura cada 5 minutos para el agua ablandada y cada 10 minutos para el agua normal. Para el agua ablandada el proceso duro 9h50 y para el agua normal duro 9 horas. En los dos procesos se pueden notar claramente cuatro zonas, las cuales se las denomin� de la siguiente manera: fase de enfriamiento, fase de cambio de estado, fase de sub enfriamiento y fase de equilibrio. Las pruebas se las realizaron varias veces en las mismas condiciones� de tipo de agua, temperatura de salmuera pero no se consegu�an los mismos resultados, tras su respectivo an�lisis se determin� que afectaban factores externos como son las condiciones ambientales externas, la temperatura del agua y la composici�n ya no todos los d�as se tienen exactamente estos tres par�metros. Adem�s de que en algunos d�as el sol impacta directamente en el equipo. Un dato hallado en las pr�cticas fue que al enfriar o congelar el agua, llega un punto en que el agua dentro del molde pasa de estar transparente a obscuro, se solidifica en un instante, al vaciar el molde, sacar el l�quido se puede observar un formaci�n tipo escarcha en la media del molde, mientras en los contornos se encuentra hielo m�s compacto.

 

Referencias

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� 2023 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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