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CALCULOS FRIGORÍFICOS EN INDUSTRIAS PEQUEÑAS Y
ARTESANALES DE PRODUCTOS MINIMAMENTE PROCESADOS DE
IV Y V GAMAS
Dr. Perla Gómez Di MarcoUniversidad Politécnica de Cartagena
España
F. Artés Hernández, E. Aguayo y F. Artés
Producto en buen estado sanitarioExento de golpes y magulladurasEstado de madurez lo más homogéneo posibleBuenas cualidades organolépticas
PRESUPUESTOS DE LA REFRIGERACION
Tiempo de espera breve desde la recolecciónPreenfriado por los métodos más apropiadosDisminuir rápidamente la temperatura de campo
APLICACIÓN DEL FRÍO
Mantener el producto a una temperatura constanteSiempre superior a su punto de congelaciónConservarlo por un tiempo compatible con su metabolismo
REFRIGERACIÓN
El producto permanece vivoFrenar sus fenómenos fisiológicosLimitar la acción de los microorganismos
Desde ‐1ºC hasta unos +15ºC Duración: desde unos días (fresas,...), hasta meses (peras,...)Cada especie y variedad requiere unas condiciones específicas
TEMPERATURA TEMPERATURA
Artés et al, 2006. Stewart Postharvest Review, 2(5): 1‐13
Condiciones recomendadas de aplicación de la refrigeración para conservar las especies y variedades de mayor interés para su procesado en IV y V gamas.
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Producir frío: conseguir y mantener la temperatura de unrecinto por debajo de la temperatura ambiente
Debe utilizarse cualquier fenómeno físico endotérmico
Fenómenos termoeléctricos + evaporación de líquidos es el más extendido a escala industrial
REFRIGERAR
Fenómenos que ocasiona la compresión ydescompresión de los fluidos frigorígenos, que sehacen pasar del estado líquido al gaseoso y viceversa,consiguiendo absorber calor del medio en que sevaporizan a una presión suficientemente baja.
Producción de frío por evaporación de un líquido
REFRIGERAR
Derivados halogenadosProcedentes 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)
FLUIDOS FRIGORÍGENOS
Mezclas de los derivados halogenadosMezclas 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)
FLUIDOS FRIGORÍGENOS
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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.
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
Sustitución por refrigerantes sin Cl en su molécula, como R‐134a, R‐401a
Criterio de elección:*rendimiento *producción frigorífica*tipo de compresor *seguridad *facilidad de suministro
FLUIDOS FRIGORÍGENOS
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 resumidaen la instrucción MI IF 002 “Clasificación de los refrigerantes” del Reglamento de seguridadpara 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),
Si la molécula contiene átomos de bromo se procederá de la misma forma añadiendo luego ala derecha una B mayúscula seguida del número de átomos. Ejemplo bromotrifluormetanoCF3Br R‐13B1.
FLUIDOS FRIGORÍGENOS
Actualmente, los sistemas que emplean las máquinas deproducción de frío recurren muy mayoritariamente a lacompresión mecánica
REFRIGERACION POR COMPRESION
Es la que mayormente se aplica en las industrias pequeñas yartesanales de Productos Mínimamente Procesados de IV y VGamas
Forzar mecánicamente la circulación de un refrigerante en un circuito cerradoSe crean zonas de alta y baja presiónEl fluido absorbe calor en el evaporador y lo cede en el condensador
REFRIGERACION POR COMPRESION
Compresor de tornillo Evaporador Condensador
PROCESOS FUNDAMENTALES
1. Compresión 2. Condensación
3. Expansión 4. Evaporización 4. Evaporación
2. Condensación1. Compresión
3. Expansión
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PARTES DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
Zona del evaporador
Zona del condensador
PARTES DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
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
CICLO DE REFRIGERACIÓN
Compresor: aspira el vapor y lo comprime hasta una presión elevadacreando una zona de alta presión, con el consiguiente aumento detemperatura. Provoca el movimiento del refrigerante en el sistema.
Condensador: los vapores comprimidos son expulsados y conducidos alcondensador en donde se enfrían mediante aire forzado o mediante agua.
Así se licuan, convirtiéndose en líquido a alta presión. Su función es liberarel calor del refrigerante al ambiente. Este líquido puede enfriarse por debajode la temperatura de condensación, en una prolongación del condensadordenominada subenfriador, con lo que se logra mayor producción de frío.
El líquido subenfriado y a alta presión se conduce a un recipiente de líquidocuya 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
Dispositivo de expansión: puede ser una válvula de expansión o un tubocapilar. Punto donde hay una pérdida de carga muy grande, por reducción dela sección de paso. Su función es dejar que el refrigerante pase desde laparte del circuito de alta presión a la de baja presión, expandiéndose.
Evaporador: también es un serpentín. Su función es que el refrigeranteabsorba calor del área refrigerada. El fluido frigorígeno se evapora en el hazde tubos del evaporador, absorbiendo calor del recinto a enfriar.
PARTES DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
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.
PARTES DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
Elementos anexos:
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Domésticas: potencia frigorífica instalada inferior a 250 frigorías/h(refrigeradores domésticos y pequeñas vitrinas‐expositores) (fg: cantidad deenergía 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 derefrigerados y congelados de hostelería‐restauración y comercios deproductos alimenticios y de pequeñas actividades de distribución eindustriales artesanales: salas de preparación de Productos MínimamenteProcesados o de Cuarta Gama, de despiece de carnes, de preparación deembutidos, de salazón de carnes y pescados, etc.).
Industriales: potencia frigorífica supera 25.000 fg/h (CentralesHortofrutícolas, las Industrias de Productos Mínimamente Procesados,Almacenes Frigoríficos Polivalentes, Mataderos Frigoríficos, Fábricas de Hieloy de Helados, Instalaciones de Congelación, Centrales Lecheras, etc.)
CLASIFICACIÓN SEGÚN POTENCIA Y FINALIDAD
Artés Hernández et al., 2013
Para reducir las entradas de calor desde el exterior. Deben cumplir las siguientes condiciones:
‐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
CONSERVACIÓN DEL FRÍO: AISLANTES
Cuerpo fibroso o celular que encierra en sus poros aire, el cual, al tener uncoeficiente de conductividad de 0,02 kcal/hr.m.ºC es lo que lo hace aislante.
Corcho: elevado precio. Es combustible y su peso específico (100‐110 kg/m3)es alto. Pero es casi imputrescible e inodoro, prácticamente estable ehidrófugo, tiene buena resistencia mecánica y su coeficiente deconductividad es 0,04 kcal/hr.m.ºC.
Poliestireno expandido: baja conductividad (0,026 Kcal/hr.m.ºC) y muy bajopeso específico (18‐20 Kg/m3). Es imputrescible y no se altera por lastemperaturas bajas. Pero tiene poca resistencia mecánica, se deformaligeramente con el tiempo, se altera a partir de unos 60ºC y debe protegerseen las paredes, aunque no en el techo.
CONSERVACIÓN DEL FRÍO: AISLANTES
Fibra de vidrio: es imputrescible e inodora, con una conductividad de 0,03Kcal/hr.m.ºC y un peso específico de 60‐70 Kg/m3. No es alterable nicombustible. Inconvenientes: baja resistencia mecánica, por lo que debe serprotegido y difícil puesta en obra. Prácticamente solo se usa en cámaras deatmósfera controlada con recinto metálico soldado, ya que constituye unabarrera antivapor perfecta e impermeable.
Poliuretano y poli‐isocianato: se utilizan en los paneles sandwichprefabricados pero también proyectados sobre paredes de mampostería. Suconductividad es 0,022 a 0,029 Kcal/hr.m.ºC. Para paneles el peso específicovaría entre 33 y unos 70 Kg/m3. Ambos tienen muy baja permeabilidad alvapor de agua, buena resistencia a la compresión y a los productos químicosy son autoextinguibles, aunque es alto su coeficiente de dilatación lineal.
CONSERVACIÓN DEL FRÍO: AISLANTES
Por cada m2 de cerramiento pasará un flujo de calor, Q (W/m2), tal que
CÁLCULO DEL AISLAMIENTO FRIGORÍFICO
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)
Q= U(te‐ti)
Por su parte, la resistencia térmica global del cerramiento, R (m2K/W) es la inversa de U
donde
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Para el cálculo del espesor de aislante, e (m), se usa:
En ella se conocen todos los datos excepto ej que se despeja
CÁLCULO DEL AISLAMIENTO FRIGORÍFICO
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
CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO, TIPO Y DENSIDAD
Capacidad, depende de:
Optimizar la densidad ya que el coste del m3 de cámara es fijo
Se expresa en kg/m3 para mercancías apiladas en el suelo
Las menores densidades se producen en las cámaras de pequeñovolumen (< 500 m3), por su menor altura (< 7,5 m) y las mayoressuceden en los almacenes de gran volumen (> 30.000 m3), por sumayor altura (10 m).
CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO, TIPO Y DENSIDAD
Se suele considerar una base mínima por palet de 3,5 m3 para el de 80x120 cm y de 5 m3para 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
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
CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO, TIPO Y DENSIDAD
Los conceptos que intervienen en el cálculo de necesidades son
CÁLCULO DEL BALANCE FRIGORÍFICO
*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
Las entradas de calor por transmisión a través de los paramentos (paredes, suelo y techo) se
determinan con la expresión:
Q1 = Qx 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
1. ENTRADA DE CALOR A TRAVÉS DEL CERRAMIENTO= Q1
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)
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.
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Se determinan con la expresión
Q2 = M x Cesp x (Tep ‐ Tfp ) (Kcal/día) 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)
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
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)
2. NECESIDADES DE REFRIGERACIÓN DE LOS PRODUCTOS= Q2
Se determina con la expresión
Q3 = M x CR (Kcal/día) donde
M = masa de producto almacenado en la cámara (t)
CR = Calor de respiración (Kcal/t.día) (Tablas)
3. COMPENSACIÓN DEL CALOR DE LOS PRODUCTOS= Q3
Se determina con la expresión
V = volumen de la cámara (m3)
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)
donde
4. NECESIDADES POR RENOVACIÓN DE AIRE= Q4
donde T = temperatura del aire
= 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)
h = [ ( 0,24 + 0,46 X ) x t ] + 597,2 X
donde
4. NECESIDADES POR RENOVACIÓN DE AIRE= Q4
Se determina con la expresión
Q5 = 860 x Pm x H (Kcal/día ) donde
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 conexactitud tras realizar el balance térmico y elegir los equipos
5. COMPENSACIÓN DEL CALOR DESPRENDIDO POR LOS VENTILADORES= Q5
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5. COMPENSACIÓN DEL CALOR DESPRENDIDO POR LOS VENTILADORES= Q5
Se necesita conocer la potencia eléctrica de los electromotores de losventiladores. Por cada h de funcionamiento, el calor desprendido será860 Kcal/KW. En consecuencia se debe estimar la potencia y duración delenfriamiento, se efectúa la determinación, se comprueba a posteriori y,en caso necesario, se recalcula.
Alternativa: realizar una estimación indirecta en función del volumentotal de la cámara:
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 50Kcal/m3.día (cámaras de prerrefrigeración)
Dependerá del número de personas que entren en la cámara y deltiempo que permanezcan en ella.
Se calcula con la expresión
Q6 = N x CP x H (Kcal/día) donde
N= número de personas,
CP = calor desprendido por persona y hora (Kcal/h), que se puedeestimar 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
6. COMPENSACIÓN DEL CALOR DESPRENDIDO POR LAS PERSONAS= Q6
Depende del nivel lumínico y del tiempo de utilización en el recinto aenfriar
El nivel lumínico para las industrias de IV y V Gamas suele estar entre 30 y60 lux, que se corresponde con una potencia de unos 3 a 10 W/m2
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.
7. COMPENSACIÓN DEL CALOR DESPRENDIDO POR LA ILUMINACIÓN= Q7
Si no se puede determinar con precisión se puede incluir en Q8
Se estima mediante una mayoración del 10 al 15 % de Q1 + Q2 + Q3, con la
expresión
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
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.
8. COMPENSACIÓN POR ENTRADAS DE CALOR DIVERSAS = Q8
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)
NECESIDADES TOTALES ¡MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCION!
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Información de contacto
Sitio web: http://www.upct.es/gpostref
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