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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 

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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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