Refrigeration 101

10 downloads 130465 Views 11MB Size Report
Primary Components. Types of Evaporators. Air Units: a common type of. t f d i ld t evaporator found in cold storages, pre-coolers, and mechanical freezers.
Two Primary Types Types Of Refrigeration Systems Cryogenic System

Mechanical System

An open system that uses the refrigerant  once and then vents it into the  atmosphere.  t h

A sealed system that uses the same  refrigerant over and over. 

Examples: A freezing system using liquid  nitrogen (LN2) or carbon dioxide (CO2).

Examples: A system that uses Ammonia  (NH3) or Freon as the refrigerant. We’ll focus on mechanical systems today. 

How It Works How Does Mechanical Refrigeration Work?  1 TTo cool the air or liquid, it moves through a heat exchanger (evaporator), transferring its  1. l th i li id it th h h t h ( t ) t f i it heat into the refrigerant.  2. The refrigerant inside the evaporator must be maintained at a lower temperature than the  air or liquid. Heat (high energy) moves to cold (low energy). i li id H t (hi h ) t ld (l ) 3. Temperature of refrigerant is controlled by the pressure inside the evaporator.                         (Pressure‐Temperature relationship) 4. The liquid refrigerant inside the evaporator absorbs the heat, changing state to vapor.  (boiling)

How It Works How Does Mechanical Refrigeration Work?

Examples:  At 33.5 PSIG, Ammonia boils at +20°F.   At 3.6 PSIG, it boils at ‐20°F. All fluids have a “Pressure – Temperature” Relationship.

How It Works That means… By maintaining the desired pressure By maintaining the desired pressure inside the evaporator we get the  inside the evaporator we get the desired temperature.  The temperature at that boiling point determines how much heat is  absorbed into the refrigerant, changing the liquid refrigerant to a vapor. 

Primary Components Four Primary Components Of A Mechanical System

Evaporator: This is where the heat  f from the product or space is  th d t i transferred into the refrigerant.  It’s main function is to remove heat  from air or liquid. There are several types of  evaporators used in food processing evaporators used in food processing  industry.

Primary Components Types of Evaporators

Air Units: a common type of  evaporator found in cold storages,  t f di ld t pre‐coolers, and mechanical freezers.  They are a combination of fans and a  coil. Air is blown over the tubes  which contains refrigerant. Other names: evaporators coils Other names: evaporators, coils

Primary Components Types of Evaporators

Shell And Tube Heat Exchangers:  primarily i il used to cool fluids. Fluid  dt l fl id Fl id being cooled is pumped through the  tubes while the liquid refrigerant is in  the shell.  Applications: chill glycol, wine, water 

Primary Components Types of Evaporators

Plate and Frame Heat Exchangers:  plates stacked together containing  l t t k d t th t i i refrigerant or product in alternating  plates. These have extremely good  heat transfer characteristics.  Applications: chill glycol, wine, water

Primary Components Four Primary Components Of A Mechanical System

Compressor: the largest electrical  user in a food storage facility is the  i f d t f ilit i th compressor.  It maintains the evaporator  refrigerant pressure required to give  desired evaporator temperature and  to compress the refrigerant gas from  the evaporator to a higher pressure the evaporator to a higher pressure.  There are primarily three types of  compressors…

Primary Components Types of Compressors

Rotary Screw Compressor: The most  common type used. These units are  t d Th it typical 100 HP to 1,000 HP.  Wide range of applications and can  be used in a single stage system or as  the high stage or booster in a two‐ stage system. 

Primary Components Types of Compressors

Reciprocating Compressor: these  units have pistons going up and  it h it i d down compressing gas, similar to a  car engine.  Typically 50 HP to 200 HP and can be  used in a single stage system or as  the high stage or booster in a two‐ stage system Limited compression stage system. Limited compression  ratio. 

Primary Components Types of Compressors

Rotary Booster Compressor: These  are no longer manufactured but  l f t db t there are still many in operation.  They are used only as boosters in  two stage systems. 

Primary Components Four Primary Components Of Any Refrigeration System Condenser: high pressure gas is  cooled and condenses back to liquid.  This is where all of the heat from the  cold storage and from the food  product is transferred out of the  refrigeration system.  Fans blow air through coils as water is  pumped over them. The water  evaporates, absorbing the heat in the  refrigerant gas, and the energy is  rejected into the atmosphere. 

Primary Components Four Primary Components Of Any Refrigeration System

Expansion Device: function is to  control the flow of refrigerant from  l h fl f fi f high (condensing pressure) to low  (evaporating pressure) and controls  the flow of liquid refrigerant  into the  q g evaporator.  Several Types: hand expansion valve,  motori ed modulating valve thermal motorized modulating valve, thermal  expansion valve, etc.

Hand Expansion  p Valve

Motorized Modulating  g Valve

Thermal Expansion  p Valve

Refrigeration System

Refrigeration System

Refrigeration System Commercial System ‐ Freon Only Ex: supermarkets, convenience stores, and small cold storages p , , g

Condensing Unit: The outdoor  condensing unit contains both the  d i it t i b th th compressor and condenser. 

Air Unit: Standard air unit with  thermal expansion valve and electric thermal expansion valve and electric  defrost. 

Applications Cold Storage

Cold Storage: Large rooms/buildings,  typically 0°FF to ‐20 typically 0 to 20°FF, for storing  for storing frozen foods. Found in large  processing plants and as food  distribution centers.  Refrigeration systems can be shut off,  sometimes for hours, without  temperature gain that damages temperature gain that damages  frozen food. 

Applications Cooler

Cooler: Typically +32°F to +40°F for  storing perishable refrigerated food storing perishable, refrigerated food  products.    Because product temperature has a  very tight tolerance, length of time  the refrigeration can be off is very  limited. 

Applications Types Of Mechanical Freezers

IQF Belt Freezer: A long tunnel type  f freezer with one or two belts.  ith t b lt To freeze mostly small, IQF products  such as peas, cut corn, French fries,  onions, pizza topping, shredded  cheese, etc.  Usual retention time is under 20  Usual retention time is under 20 minutes. 

Applications Types Of Mechanical Freezers:

Spiral Freezer: spiral wound belt with  many tiers to freeze items requiring a  ti t f it ii longer retention time such as chicken  parts, fish fillets, hamburger patties,  potato co‐products, entrees, pizzas,  etc.  Usual retention time is 30‐60  minutes. minutes

Applications Types Of Mechanical Freezers:

Variable Retention Freezer: also  called a carton freezer, is a large unit  ll d t f i l it with moving conveyors or trays.  For long retention time products like  pies, tubs of ice cream, or turkeys  and cartooned (boxed) products like  chicken parts, turkey parts, meat.  Retention time 2‐12 hours or  possibly longer.

Applications Types Of Mechanical Freezers:

Blast Freezer: small room with large  coil inside This is a batch operation coil inside. This is a batch operation  with racks, loaded with product,  manually put into and removed from  the freezer.  Retention time more than an hour,  sometimes up to 20 hours.

Applications Types Of Mechanical Freezers:

Plate Freezer:  vertical or horizontal  plates Also called contact freezers plates. Also called contact freezers  because the product is in direct  contact with the heat exchange plate  surface.  Product is pumped or placed  between the movable plates and  refrigerant is pumped through the refrigerant is pumped through the  plates. Vertical plate freezers are  used to freeze meat, offal, and fruit  products into 50‐60 lb blocks.  Usual retention time is 2‐4 hours.

Horizontal

Vertical

Applications Types Of Mechanical Freezers:

Flat Product Freezer: specific type  f freezer for quickly freezing thin  f i kl f i thi product like hamburgers and fish  fillets.  Designed specifically to replace LN2 freezers.

Applications Food Freezing Load Calculation:

Product:  Green Peas Quantity:  10,000 lbs/hr Temperature:  Entering  +70F Exiting: 0F (equilibrated)

Applications Food Freezing Load Calculation:

1) Product Load Specific Heat above freezing is 

0.79 btu/lb F

39F (+70F ‐ +31F) x 0.79 Latent Heat (from chart) Latent Heat (from chart)

= 30.8 btu/lb = 106.0 btu/lb 106 0 btu/lb

Specific Heat below freezing is 

0.42 btu/lb F

+31F (+31F ‐ 0F) x .42 TOTAL:

= 13.0 btu/lb = 139.8 btu/lb

10,000 lb/hr x 139.8 BTU/lb = 116.5 TR 12,000 BTU/TR

Applications Food Freezing Load Calculation:

2)Base Load Motors (116 HP x 3 000 btu/h/HP) Motors (116 HP x 3,000 btu/h/HP)

= 348 000 btu/h = 348,000 btu/h

Enclosure

= 60,000 btu/h

Other (lights, etc.)

= 84,000 btu/h TOTAL:                                 = 492,000 btu/h 492,000 btu/h 12,000 btuh/TR

= 41.0 TR

3) Safety Factor  5% (water, uneven product feed):

= 6.0 TR

TOTAL LOAD

= 163.5 TR