2009 IIAR Technical Papers
  Dallas, TX
31st Annual Meeting

Impact Testing Exemption Curves for Low Temperature Operation of Pressure Piping
Author: Martin Prager

Extension of ASME exemption curves has been accomplished by consistent application of old and new ASME fracture mechanics concepts originally intended for pressure vessels. It is recognized that materials produced by modern means may be deserving of greater credit for toughness and reassignment to different traditional curves or even new curves may be in order. Where there is impact toughness data the mean temperature in the transition region may be estimated and new exemption curves developed. Procedures described were used to adjust exemption curves for thickness where pipe wall is less than the normal Charpy specimen width.
Energy Consumption with CO2/Cascade Systems
Author: J.W. Pillis, P.E.

CO2 cascade systems have been used in refrigeration for many years and are growing in popularity for a number of reasons. Reduction in ammonia charge, reduced cost of refrigerant, reduction in compressor size, reduced risk of air ingress, and reduced energy consumption are all cited as possible advantages with CO2 cascade. This study takes a detailed look at energy consumption using CO2 cascade systems to determine whether they are in fact energy competitive with two stage ammonia systems or other possible systems over the range of temperatures normally encountered in food freezing and storage applications.
Designing an Inherently Safer Refrigeration System
Author: Peter Jordan

After approximately 12 years of research the FAA announced a new requirement in July 2008 which is designed to make airline travel inherently safer. This requirement will mandate the use of nitrogen in airline fuel tanks to eliminate the potential for a flammable atmosphere in these tanks. At first glance it might appear that this requirement is unrelated to the ammonia refrigeration industry. But in reality the ammonia refrigeration industry has been emphasizing the use of inherently safer designs for many years. Examples include the use of secondary refrigerants and the elimination of ammonia piping manifolds in processing areas. The processes used to evaluate design options, however, have tended to be relatively informal and qualitative in nature. This technical paper will describe a formalized method that has been used to quantitatively and qualitatively evaluate different options in ammonia refrigeration systems to identify inherently safer options. The method involves adding additional questions to Process Hazard Analysis (PHA) studies to stimulate discussions on potential inherently safer designs. The method also involves the use of actual ammonia accident investigation data and published equipment and human failure rate data to evaluate various design alternatives. The end result is a suggested list of action items which are designed to make ammonia refrigeration systems inherently safer.
Natural Refrigerant Applications in North American Supermarkets
Author: David K. Hinde and Shitong Zha, PhD

Recent achievements with the application of CO2 secondary and cascade systems in North American supermarkets are presented. Practical information gained through start-up and operation of these systems as well as customer experiences is included. The results of a detailed analysis are presented which focus on impacts of distribution piping, material costs, and heat gain compared to conventional direct expansion systems using HFC refrigerants. An energy and TEWI comparison is made between several system types including CO2 secondary and cascade, as well as various primary refrigerants. Projects successfully containing the refrigerant charge in the mechanical room renew the possibility of using ammonia on these systems—a discussion of the potential of commercial ammonia systems in the U.S. is added, highlighting needed developments for successful implementation in the future.
Calculating Freezing Times in Blast and Plate Freezers
Author: Andy Pearson

Recent experiences using carbon dioxide have shown remarkable improvements in freezing times. Close analysis of the freezing process has shown that this improvement is a result of the elimination of hindrances which handicap traditional freezer designs such as high suction line pressure drops, intolerance of off-design operation and internal fouling. The paper presents several methods of modeling the freezing process which can be used in a simple spreadsheet, and which help to explain the benefits which can be gained by using a correctly designed system with carbon dioxide as the refrigerant. The paper will provide an explanation of the theory behind the freezing process and will convert this into a methodology which can be implemented in a standard spreadsheet. For more advanced users the option of automating the spreadsheet by using macro programs will be explained.
Pumped Recirculators vs. CPR Feed
Author: Don Faust

The controversy over CPRs vs. pumped recirculators has gone on for many years. Despite numerous articles and papers, each claiming energy savings for its approach, the problem has not been fully analyzed from a fundamental standpoint. Using the simple concept of conservation of mass, and employing thermodynamic properties of refrigerants, a mass and energy balance can be modeled for each type of system. This approach yields equations which can then be used to predict the mass flows required for each type of system. This allows the systems to be compared to each other in a scientific manner. The paper will illustrate how feeding cold liquid to the evaporators lowers pressure drops and increases overall system efficiencies.
Extended Surface Air Coolers for Industrial Plants – the Contractors Perspective
Author: Stefan S. Jensen

In view of the very large range of evaporator coil geometries, coil material combinations, coil defrost methods and circuiting options available on the market, the industrial refrigeration contractor often faces difficulties deciding which evaporator design to use for a certain application. Often selections are based on rules of thumb, e.g., an allowance of a certain number of square feet of coil surface area per pound of product. Considering the fact that coil material selections, choice of refrigerant, coil circuiting and coil geometry can influence heat transmission coefficients (u-values) by up to a factor of three or more, such an approach can lead to very poor results in practice. Other issues are relative humidity and dehydration of the refrigerated space. There are thousands of practical applications where the quality and shelf life of the products stored or chilled are directly influenced by the equilibrium relative humidity inside the room in question. Yet often extended surface air coolers are selected with geometries to suit the manufacturer and not the application. Frequently, the result is a squat coil when the coil should have been shallow and with large face area.
The performance impact of fouling both on the inside, but also on the outside surfaces of cooling coils is often not highlighted sufficiently by manufacturers. Extended surface air cooling coils featuring comparatively high-heat transmission coefficients (u-values) in clean condition generally display a more rapid performance deterioration as a function of increasing fouling than an equivalent coil with lower heat transmission coefficient in clean condition. It is often not in the commercial interest of coil manufacturers to disclose this information, yet it can be of crucial importance to the refrigeration plant designer. It is commonly known that cooling coil performance increases as a function of increasing face velocity. What is not normally available from manufacturers is optimization of face velocities for maximum plant energy efficiency. This is the contractor’s problem and the tools that the contractor needs to perform this task are often not readily available. This paper will show a range of practical performance comparisons between various coil geometries, coil materials, circuiting options, refrigerant choices, flow patterns and refrigerant feed options. These performance comparisons will have one thing in common namely the software used to perform them. The comparisons therefore represent relative information valuable to the contractor because it is information not readily available from extended surface cooling coil manufacturers under normal circumstances.
Probability in Ammonia Refrigeration Risk Assessment
Author: Anders Lindborg

Designers and users of ammonia in refrigeration and heat pumps consider it a safe and economical refrigerant. The number of injuries and lethal accidents are extraordinarily rare compared to other risks in society. This is not generally known and myths which depict ammonia as very dangerous continue to influence regulators and society at large. This paper demonstrates that ammonia’s dangers have been greatly exaggerated.

2009 Programa en español

Amoníaco como el refrigerante sostenible: Una comparación amoníaco-halocarburo
Author: Alex Gooseff and Jamie Horton

Cuando se considera la pregunta ¿nuestra instalación debe usar un sistema de refrigeración con amoníaco o con halocarburo?” un inversionista debe efectuar un análisis financiero detallado de ambos sistemas. La primera diferencia de costo de ambos sistemas puede ser recuperado fácilmente a través de los ahorros en costos de operación y los beneficios de largo plazo pueden ser significantes. Para el caso de estudio de este trabajo, la inversión original de $208,000 para un sistema de amoníaco resultó en una recuperación simple de la inversión de alrededor de 1.7 años y un ahorro total de alrededor de $4.9 millones durante 20 años. En general las siguientes reglas generales aplican para una aplicación de instalación de distribución: menos de 50,000 pies cuadrados de espacio refrigerado, sistemas de circuito dividido de halocarburo normalmente son aceptados. Un espacio refrigerado de 50,000 a 200,000 pies cuadrados de espacio refrigerado, sistemas de circuito dividido de halocarburo y sistemas centralizados de refrigeración con amoníaco son comunes. Más de 200,000 pies cuadrados de espacio refrigerado, el uso de sistemas centrales de refrigeración con amoníaco es lo más común.
Integrando controles avanzados en los procesos de planta y programas de administración
Author: Paul H. Stiller, P.E.

Una variedad de avances tecnológicos recientes en sistemas de control de refrigeración prometen mejorar la eficiencia, efectividad y confiabilidad. Ahora la gestión de los servicios públicos puede ser una parte integral del proceso de fabricación. Las tecnologías de sensor permiten un planeamiento de acción de mantenimiento más eficaz. Además, los operadores pueden hacer decisiones basadas en información a tiempo real. La energía de enfriamiento puede ser dirigido como otros factores de producción. Usuarios finales tienen una oportunidad para controlar y ajustar los sistemas con precisión como nunca. Disfrutan del poder de la informática moderna que facilitará dirigir los costos de energía como parte del proceso de fabricación. Este trabajo trata de las oportunidades y presenta ejemplos específicos de aplicaciones de informática y tecnología de automatización en el proceso de la planta de refrigeración y dirección de manufactura.
Eficiencia de energía y rendimiento mejorado aplicando impulsores de velocidad variable a compresores de tornillo rotativo
Author: John C. Cosner

Este trabajo trata de la aplicación de impulsores de velocidad variable a compresores de tornillo rotativo desde dos sentidos: 1) ahorros de energía por medio de mejor eficiencia de carga parcial y 2) el rendimiento mejorado proveído por un impulsor de velocidad variable respecto al control de capacidad rápido y preciso. 
Mejores prácticas en el diseño, construcción y gestión de instalaciones de almacenaje refrigerado
Author: Bryan R. Becker, PhD, P.E. and Brian A. Fricke, PhD

El diseño de instalaciones de almacenaje refrigerado supone una variedad de tareas, incluyendo planificación, financiamiento, selección de emplazamiento, diseño arquitectónico y estructural, diseño del sistema de refrigeración, selección del equipo e instalación, construcción, inspección y mantenimiento. Además, hay otras consideraciones que aumentan la complejidad del procedimiento de diseño como los códigos de construcción y seguridad, la eficiencia de operación y la rentabilidad. Este trabajo trata de un buen número de estos asuntos así como tendencias establecidas actuales en el diseño de instalaciones refrigeradas. También se trata de especificaciones de la instalación incluyendo condiciones de almacenamiento, capacidad de almacenamiento, planes de almacenamiento, configuración y trazado de la instalación, ubicación y planificación de local. Se ofrece información básica sobre el diseño de estructuras de instalaciones de almacenaje refrigerado, incluyendo el diseño de estructuras de soporte, paredes, techos, suelos, puertas y plataformas de embarque (muelles). Se da atención especial al diseño de aislamiento y retardadores de vapor, incluyendo la junta de la pared y el techo, así como el cimiento, sistemas de calentamiento del suelo y tipos, tamaños y sellos de puertas. También se presenta una discusión de la gestión de instalaciones de almacenamiento refrigerado, incluyendo puesta en marcha y entrenamiento, inspección y mantenimiento, análisis de costo de ciclo de vida y estrategias de energía.
Métodos de enfriamiento de aceite
Author: Wayne Wehber, P.E., Jean-Louis Picouet and Mike Nielsen

Sistemas de refrigeración que usan compresores de tornillo requieren algún método de enfriar los compresores. Normalmente esto se logra enfriando el aceite lubricante antes de inyectarlo de vuelta al compresor. Este trabajo provee un guía para todos los métodos de enfriamiento de aceite utilizados en compresores de tornillo del pasado hasta el presente, incluyendo una evaluación de las ventajas y desventajas de cada método.
Integridad mecánica e inspección no destructiva para sistemas de refrigeración con amoníaco
Author: Jim Kovarik

Establecer los requisitos específicos para probar e inspeccionar las tuberías ha desafiado a los usuarios finales. Desde la perspectiva del usuario final se establecen las siguientes preguntas: ¿Qué métodos de pruebas pueden ser aplicados? ¿Qué clases de fallas son las más comunes? ¿Qué tipos de equipos de inspección son los más adecuados? Este trabajo examina las diferentes tecnologías de inspección disponibles para evaluar la condición del equipo de refrigeración con amoníaco y destaca las ventajas y desventajas de cada método. Asimismo se discuten los elementos para mantener un programa viable de Administración de la seguridad del proceso (PSM) y los puntos que se tienen que considerar cuando se está seleccionando un inspector.