CALCULOS FRIGORÍFICOS EN INDUSTRIAS PEQUEÑAS Y

25/11/2014
PRESUPUESTOS DE LA REFRIGERACION
CALCULOS FRIGORÍFICOS EN INDUSTRIAS PEQUEÑAS Y ARTESANALES DE PRODUCTOS MINIMAMENTE PROCESADOS DE IV Y V GAMAS
Producto en buen estado sanitario
Exento de golpes y magulladuras
Estado de madurez lo más homogéneo posible
Buenas cualidades organolépticas
Dr. Perla Gómez Di Marco
Universidad Politécnica de Cartagena
España
F. Artés Hernández, E. Aguayo y F. Artés APLICACIÓN DEL FRÍO
Tiempo de espera breve desde la recolección
Preenfriado por los métodos más apropiados
Disminuir rápidamente la temperatura de campo
REFRIGERACIÓN
Mantener el producto a una temperatura constante
Siempre superior a su punto de congelación
Conservarlo por un tiempo compatible con su metabolismo
El producto permanece vivo
Frenar sus fenómenos fisiológicos
Limitar la acción de los microorganismos
TEMPERATURA
Desde ‐1ºC hasta unos +15ºC Duración: desde unos días (fresas,...), hasta meses (peras,...)
Cada especie y variedad requiere unas condiciones específicas
TEMPERATURA
Condiciones recomendadas de aplicación de la refrigeración para conservar las especies y variedades de mayor interés para su procesado en IV y V gamas.
Artés et al, 2006. Stewart Postharvest Review, 2(5): 1‐13
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REFRIGERAR
 Producir frío: conseguir y mantener la temperatura de un
recinto por debajo de la temperatura ambiente
REFRIGERAR
Producción de frío por evaporación de un líquido  Debe utilizarse cualquier fenómeno físico endotérmico  Fenómenos termoeléctricos + evaporación de líquidos es el más extendido a escala industrial
FLUIDOS FRIGORÍGENOS
Derivados halogenados
Procedentes del metano, etano y propano por sustitución parcial de los átomos de hidrógeno por átomos de Cl, F y Br. Incluyen: *halogenuros saturados (CFC, HCFC, HFC, PFC y halones)
*halogenuros insaturados (por ejemplo el R‐1140).
CFC: clorofluorcarburos, contienen Cl, F y C (ej.R‐12)
HCFC: hidroclorofluorcarburos, contienen H, Cl, F y C (ej. R‐22)
HFC: hidrofluorcarburos, contienen H, F y C (ej. R‐134A)
PFC: perfluorcarburos, contienen F y C (ej. R‐508B)
Fenómenos que ocasiona la compresión y
descompresión de los fluidos frigorígenos, que se
hacen pasar del estado líquido al gaseoso y viceversa,
consiguiendo absorber calor del medio en que se
vaporizan a una presión suficientemente baja.
FLUIDOS FRIGORÍGENOS
Mezclas de los derivados halogenados
Mezclas geotrópicas (ej. R‐404a)
Mezclas azeotrópicas (ej. R‐507a)
Hidrocarburos: saturados (ej.R‐600) e insaturados (ej. R‐1270)
Compuestos orgánicos no alquílicos: entre ellos el éter etílico, la metil amina, el éter metílico y otros
Compuestos inorgánicos: como el agua (R‐718), el amoniaco (R‐
717) y el anhídrido carbónico (R‐744)
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FLUIDOS FRIGORÍGENOS
FLUIDOS FRIGORÍGENOS
Grandes instalaciones: amoníaco en un 80% (irritante e inflamable): se tiende a utilizar CO2 y refrigerantes halogenados
Los más usados eran el R‐12 y el R‐22, además del R‐502
Tras los Protocolos de Montreal y de Kyoto (defensa de la capa de O3), se han prohibido el R‐11, R‐12, R‐113, R‐502, etc. y se está eliminando el R‐22. Sustitución por refrigerantes sin Cl en su molécula, como R‐134a, R‐401a
Criterio de elección:
*rendimiento *tipo de compresor
*producción frigorífica
*seguridad *facilidad de suministro
Ciclo cloro catalítico del ozono: los refrigerantes CFC y menos los HCFC destruyen la capa de O3 debido al Cl 1. Con la acción de los rayos UV, se liberan las moléculas de cloro a medida que ascienden hacia la atmósfera. En la estratosfera, el Cl reacciona con el ozono creando ClO y O2
2. Luego el Cl se desprende del O monovalente, destruyendo así el O3
3. Se estima que un solo átomo liberado de un CFC puede provocar una reacción en cadena que destruya 100.000 moléculas de ozono.
FLUIDOS FRIGORÍGENOS
REFRIGERACION POR COMPRESION
La nomenclatura de los fluidos frigorígenos se detalla en la norma ANSI/ASHRAE 34
“Designación y clasificación de los fluidos refrigerantes” y queda recogida de forma resumida
en la instrucción MI IF 002 “Clasificación de los refrigerantes” del Reglamento de seguridad
para Plantas e Instalaciones Frigoríficas.
La denominación se realiza a partir de su fórmula química que sigue a la letra R (refrigerante)
en la que:
La primera cifra de la derecha, en los compuestos que carezcan de bromo, indicarán el número de átomos de flúor de su molécula,
La segunda cifra desde la derecha indicará el número de átomos de hidrógeno de su molécula más uno.
La tercera cifra desde su derecha indicará el número de átomos de carbono de su molécula menos uno (si resultara cero no se indicará).
La cuarta cifra desde la derecha indica el número de enlaces no saturados del carbono en el compuesto (si resulta cero no se indicará),
Actualmente, los sistemas que emplean las máquinas de
producción de frío recurren muy mayoritariamente a la
compresión mecánica
Es la que mayormente se aplica en las industrias pequeñas y
artesanales de Productos Mínimamente Procesados de IV y V
Gamas
Si la molécula contiene átomos de bromo se procederá de la misma forma añadiendo luego a
la derecha una B mayúscula seguida del número de átomos. Ejemplo bromotrifluormetano
CF3Br R‐13B1.
REFRIGERACION POR COMPRESION
PROCESOS FUNDAMENTALES
Forzar mecánicamente la circulación de un refrigerante en un circuito cerrado
Se crean zonas de alta y baja presión
El fluido absorbe calor en el evaporador y lo cede en el condensador
Compresor de tornillo
Evaporador
1. Compresión
1. Compresión 2. Condensación
3. Expansión
3. Expansión 4. Evaporación
4. Evaporización Condensador
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PARTES DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
PARTES DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
Zona del evaporador
Zona del condensador
CICLO DE REFRIGERACIÓN
PARTES DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
Compresor: aspira el vapor y lo comprime hasta una presión elevada
creando una zona de alta presión, con el consiguiente aumento de
temperatura. Provoca el movimiento del refrigerante en el sistema.
Condensador: los vapores comprimidos son expulsados y conducidos al
condensador en donde se enfrían mediante aire forzado o mediante agua.
Así se licuan, convirtiéndose en líquido a alta presión. Su función es liberar
el calor del refrigerante al ambiente. Este líquido puede enfriarse por debajo
de la temperatura de condensación, en una prolongación del condensador
denominada subenfriador, con lo que se logra mayor producción de frío.
Dos zonas:
*alta presión: compresor, condensador, subenfriador, recipiente de líquido y entrada a la válvula de expansión
*baja presión: salida de la válvula de expansión, evaporador y hasta la válvula de aspiración
del compresor
PARTES DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
El líquido subenfriado y a alta presión se conduce a un recipiente de líquido
cuya misión es disponer de una reserva de frigorígeno en previsión de fugas.
Este líquido pasa a continuación por una válvula de expansión.
PARTES DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
Elementos anexos:
Dispositivo de expansión: puede ser una válvula de expansión o un tubo
capilar. Punto donde hay una pérdida de carga muy grande, por reducción de
la sección de paso. Su función es dejar que el refrigerante pase desde la
parte del circuito de alta presión a la de baja presión, expandiéndose.
Evaporador: también es un serpentín. Su función es que el refrigerante
absorba calor del área refrigerada. El fluido frigorígeno se evapora en el haz
de tubos del evaporador, absorbiendo calor del recinto a enfriar.
 Termostato: apaga o enciende automáticamente el compresor a fin de mantener el área enfriada dentro de un rango de temperaturas
 Ventilador: aumenta el flujo de aire para mejorar el intercambio de calor. Generalmente está en el área del condensador. Según el tipo de dispositivo que sea, puede haber ventilador (evaporador de aire forzado) o no (evaporador estático) en el área del evaporador.
 Otros elementos no siempre presentes son:
* Filtro de humedad
* Depósito de refrigerante líquido
* Un dispositivo de disipación de calor al exterior, que puede ir desde un simple intercambiador con un ventilador, hasta una torre de enfriamiento.
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CLASIFICACIÓN SEGÚN POTENCIA Y FINALIDAD
Domésticas: potencia frigorífica instalada inferior a 250 frigorías/h
(refrigeradores domésticos y pequeñas vitrinas‐expositores) (fg: cantidad de
energía necesaria para hacer disminuir 1ºC la temperatura de 1 g de agua)
Comerciales: potencia frigorífica está entre 250 y hasta 25.000 fg/h
(vitrinas‐expositores, armarios, pequeñas cámaras de conservación de
refrigerados y congelados de hostelería‐restauración y comercios de
productos alimenticios y de pequeñas actividades de distribución e
industriales artesanales: salas de preparación de Productos Mínimamente
Procesados o de Cuarta Gama, de despiece de carnes, de preparación de
embutidos, de salazón de carnes y pescados, etc.).
Industriales: potencia frigorífica supera 25.000 fg/h (Centrales
Hortofrutícolas, las Industrias de Productos Mínimamente Procesados,
Almacenes Frigoríficos Polivalentes, Mataderos Frigoríficos, Fábricas de Hielo
y de Helados, Instalaciones de Congelación, Centrales Lecheras, etc.)
CONSERVACIÓN DEL FRÍO: AISLANTES
Artés Hernández et al., 2013
CONSERVACIÓN DEL FRÍO: AISLANTES
Para reducir las entradas de calor desde el exterior. Deben cumplir las siguientes condiciones:
Cuerpo fibroso o celular que encierra en sus poros aire, el cual, al tener un
coeficiente de conductividad de 0,02 kcal/hr.m.ºC es lo que lo hace aislante.
‐ Mala conducción del calor
‐ Impermeable e inalterable por la humedad
‐ Imputrescible y resistente a ataques de gusanos y roedores
‐ Inocuos, que ni produzcan ni absorban olores
‐ Buena resistencia mecánica, sobre todo a la compresión
‐ Prácticamente indeformable por acción de temperatura y humedad
‐ Estable a la temperatura de régimen
‐ Seguro frente a incendios
‐ Resistente a la acción de agentes químicos
‐ Barato y de fácil colocación
‐ No ser nocivo para los operarios
Corcho: elevado precio. Es combustible y su peso específico (100‐110 kg/m3)
es alto. Pero es casi imputrescible e inodoro, prácticamente estable e
hidrófugo, tiene buena resistencia mecánica y su coeficiente de
conductividad es 0,04 kcal/hr.m.ºC.
CONSERVACIÓN DEL FRÍO: AISLANTES
Fibra de vidrio: es imputrescible e inodora, con una conductividad de 0,03
Kcal/hr.m.ºC y un peso específico de 60‐70 Kg/m3. No es alterable ni
combustible. Inconvenientes: baja resistencia mecánica, por lo que debe ser
protegido y difícil puesta en obra. Prácticamente solo se usa en cámaras de
atmósfera controlada con recinto metálico soldado, ya que constituye una
barrera antivapor perfecta e impermeable.
Poliuretano y poli‐isocianato:
se utilizan en los paneles sandwich
prefabricados pero también proyectados sobre paredes de mampostería. Su
conductividad es 0,022 a 0,029 Kcal/hr.m.ºC. Para paneles el peso específico
varía entre 33 y unos 70 Kg/m3. Ambos tienen muy baja permeabilidad al
vapor de agua, buena resistencia a la compresión y a los productos químicos
y son autoextinguibles, aunque es alto su coeficiente de dilatación lineal.
Poliestireno expandido: baja conductividad (0,026 Kcal/hr.m.ºC) y muy bajo
peso específico (18‐20 Kg/m3). Es imputrescible y no se altera por las
temperaturas bajas. Pero tiene poca resistencia mecánica, se deforma
ligeramente con el tiempo, se altera a partir de unos 60ºC y debe protegerse
en las paredes, aunque no en el techo.
CÁLCULO DEL AISLAMIENTO FRIGORÍFICO
Por cada m2 de cerramiento pasará un flujo de calor, Q (W/m2), tal que Q= U(te‐ti)
donde
U es el coeficiente global de transmisión de calor (W/m2.K) del cerramiento te es la temperatura del aire exterior (ºC)
ti es la temperatura del aire dentro del recinto a enfriar (ºC)
Por su parte, la resistencia térmica global del cerramiento, R (m2K/W) es la inversa de U 5
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CÁLCULO DEL AISLAMIENTO FRIGORÍFICO
CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO, TIPO Y DENSIDAD
Para el cálculo del espesor de aislante, e (m), se usa:
Capacidad, depende de: 



la importancia de los movimientos de mercancías
la duración medía de permanencia en el almacén (2 d máx.)
de la naturaleza de las mercancías
de la altura de estiba admisible
En ella se conocen todos los datos excepto ej que se despeja
CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO, TIPO Y DENSIDAD
Optimizar la densidad
Se expresa en kg/m3
ya que el coste del m3
de cámara es fijo para mercancías apiladas en el suelo
Las menores densidades se producen en las cámaras de pequeño
volumen (< 500 m3), por su menor altura (< 7,5 m) y las mayores
suceden en los almacenes de gran volumen (> 30.000 m3), por su
mayor altura (10 m).
CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO, TIPO Y DENSIDAD
Volumen utilizado en una cámara frigorífica: tener en cuenta 1. El volumen ocupado por los palets (1,82 m3 para el de 80x120 cm y 2,28 m3 para el de 100 x120 cm) 2. La distancia entre palets que permita su movilidad y asegure la circulación de aire
3. El espacio reservado para pasillos de circulación de vehículos de manipulación
4. Las distancias a respetar entre palets y con las paredes, techo y evaporadores
Se suele considerar una base mínima por palet de 3,5 m3 para el de 80x120 cm y de 5 m3 para el de 100x120 cm Los pesos del contenido, excluido el peso propio del palet, oscilan entre 350 y 650 kg para el de 80x120 cm y entre 600 y 900 kg para el de 100x120 cm
CÁLCULO DEL BALANCE FRIGORÍFICO
Los conceptos que intervienen en el cálculo de necesidades son
*las entradas de calor a través del cerramiento
*de enfriamiento de los productos
*para compensar el calor desprendido por los productos vegetales *por renovación del aire
*para compensar el calor desprendido por los ventiladores
*por las personas
*por la iluminación
*por diversos servicios
1. ENTRADA DE CALOR A TRAVÉS DEL CERRAMIENTO= Q1
Las entradas de calor por transmisión a través de los paramentos (paredes, suelo y techo) se
determinan con la expresión:
Q1 = Q x S x 24 (Kcal/día)
donde:
Q = flujo de calor = K x t (Kcal/h m2),
K = Coeficiente global de transmisión de calor del paramento considerado como un muro
compuesto (Kcal/h.m2.ºC)
t = diferencia de temperatura entre el exterior y el interior del recinto (ºC)
S = Superficie de paredes, suelo y techo (m2)
24 = h/día
En la práctica se admite un flujo de calor máximo permisible. Los espesores óptimos o
económicos de aislante suelen calcularse aceptando este flujo, lo que supone una solución de
compromiso entre la inversión en aislante y el coste de energía necesaria para compensar las
entradas de calor.
Suele aceptarse un rango entre 6 y 10 Kcal /h.m2.
Para el cálculo de cámaras de refrigeración se suele utilizar 8 Kcal/h.m2 (9,3 W/m2)
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2. NECESIDADES DE REFRIGERACIÓN DE LOS PRODUCTOS= Q2
Se determinan con la expresión
Q2 = M x Cesp x (Tep ‐ Tfp ) (Kcal/día) donde 2. NECESIDADES DE REFRIGERACIÓN DE LOS PRODUCTOS= Q2
Si el producto está envasado‐embalado y paletizado, lo que suele ser
habitual, se ha de sumar a Q2 las frigorías necesarias para enfriar los
envases‐embalajes y los palets, mediante la expresión
Qe = Cesp x Me x (tee – tq) donde
Q2 = necesidades por enfriamiento del producto hasta la temperatura
de régimen de refrigeración
M = masa del producto a enfriar (Kg)
Cesp = calor específico del producto (Kcal/ kg.ºC) (Tablas). El calor
específico de la materia orgánica es 0,4 Kcal/kg ºC.
Tep y Tfp son las temperaturas inicial y final del producto (ºC)
3. COMPENSACIÓN DEL CALOR DE LOS PRODUCTOS= Q3
Cesp = calor específico del material de envase‐embalaje (Kcal/kg.ºC)
que suele ser de madera o plástico (palets y cajas) o cartón (cajas) y
cuyo valor es del orden de 0,5 Kcal/kg.ºC
Me = masa del embalaje (Kg)
tee = temperatura de entrada del envase‐embalaje (ºC)
tfe = temperatura al final del enfriamiento (ºC)
4. NECESIDADES POR RENOVACIÓN DE AIRE= Q4
Se determina con la expresión
Se determina con la expresión donde
Q3 = M x CR (Kcal/día) donde V = volumen de la cámara (m3)
M = masa de producto almacenado en la cámara (t)
CR = Calor de respiración (Kcal/t.día) (Tablas)
N = número de renovaciones de aire por día
El de renovaciones técnicas son las aconsejables para la buena
conservación del producto (Tablas). Se considera de 2 a 4 en 24 h. El de
renovaciones equivalentes depende del volumen de la cámara, del
número de veces que se abre la puerta y de la temperatura (Tablas)
vi y ve = volumen específico del aire interior y exterior (m3/kg aire seco)
4. NECESIDADES POR RENOVACIÓN DE AIRE= Q4
5. COMPENSACIÓN DEL CALOR DESPRENDIDO POR LOS VENTILADORES= Q5
Se determina con la expresión
donde T = temperatura del aire
Q5 = 860 x Pm x H (Kcal/día ) donde donde
 = humedad del aire
 ps = presión de saturación del vapor de agua a la temperatura t en mm
de Hg (Tablas)
he y hi = entalpías del aire exterior e interior (kcal / kg aire seco)
Pm = potencia de los electromotores (KW)
H = nº de horas de funcionamiento de los motores
Como Pm y H no se conocen a priori el valor de Q5 solo se conocerá con
exactitud tras realizar el balance térmico y elegir los equipos
h = [ ( 0,24 + 0,46 X ) x t ] + 597,2 X
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5. COMPENSACIÓN DEL CALOR DESPRENDIDO POR LOS VENTILADORES= Q5
6. COMPENSACIÓN DEL CALOR DESPRENDIDO POR LAS PERSONAS= Q6
Se necesita conocer la potencia eléctrica de los electromotores de los
ventiladores. Por cada h de funcionamiento, el calor desprendido será
860 Kcal/KW. En consecuencia se debe estimar la potencia y duración del
enfriamiento, se efectúa la determinación, se comprueba a posteriori y,
en caso necesario, se recalcula.
Dependerá del número de personas que entren en la cámara y del
tiempo que permanezcan en ella.
Alternativa: realizar una estimación indirecta en función del volumen
total de la cámara:
N= número de personas,
Q5 = Vol x CDV (Kcal/día) donde Vol = volumen de la cámara (m3)
CDV= Calor desprendido por los ventiladores (Kcal/m3.día)
(se admite un rango entre 10 Kcal/m3.día (cámaras de refrigeración) y 50
Kcal/m3.día (cámaras de prerrefrigeración)
Se calcula con la expresión
Q6 = N x CP x H (Kcal/día)
donde
CP = calor desprendido por persona y hora (Kcal/h), que se puede
estimar entre 100 y 200 Kcal/h.
H = número de horas que cada persona permanece en la cámara/día.
Si no se puede determinar con precisión se puede incluir en Q8
7. COMPENSACIÓN DEL CALOR DESPRENDIDO POR LA ILUMINACIÓN= Q7
8. COMPENSACIÓN POR ENTRADAS DE CALOR DIVERSAS = Q8
Depende del nivel lumínico y del tiempo de utilización en el recinto a
enfriar
Se estima mediante una mayoración del 10 al 15 % de Q1 + Q2 + Q3, con la expresión
El nivel lumínico para las industrias de IV y V Gamas suele estar entre 30 y
60 lux, que se corresponde con una potencia de unos 3 a 10 W/m2
Q8 = Z x (Q1 + Q2 + Q3) en Kcal/día donde
Q1, Q2 y Q3 son los epígrafes antes descritos y Z = 0,1 a 0,15
Se determina con la expresión
Q7 = 860 x P x H (Kcal/día) donde P = potencia eléctrica de las luminarias en Kw
H = horas de funcionamiento al día.
Si no se puede determinar con precisión se puede incluir en Q8
NECESIDADES TOTALES
Q8 estima las pérdidas por convección‐radiación
Q81: por transmisión de calor hacia elementos de la instalación como tuberías y pérdidas
por condensación de la humedad exterior
Q82: la entrada de vapor de agua del exterior se condensa sobre las paredes frías del
interior por lo que la instalación deberá suministrar un calor latente
Q83: la carga térmica por el personal, si no se ha tenido en cuenta en Q6
Q84 la carga térmica por desescarche de los evaporadores en las instalaciones que tienen
una temperatura de evaporación inferior a 0º C
Q85 : la carga térmica por la iluminación si no se ha tenido en cuenta en Q7
Q86: otras entradas de calor por cuadros eléctricos, ventiladores, carretillas, etc.
¡MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCION!
Las necesidades totales serán la suma de los anteriores epígrafes
NT = Q1 + Q2 + Q3 +Q4 + Q5 + Q6 + Q7 + Q8 (Kcal/día)
y la carga térmica a evacuar por hora (NTH) será
donde H son las horas de funcionamiento (se estiman entre 14 y 18 h/día)
[email protected]
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Información de contacto
Sitio web: http://www.upct.es/gpostref
Facebook: http://facebook.com/grupo.postrecoleccionrefrigeracion
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