Cargas de refrigeración para un cuarto frio

Cámaras frigoríficas o cuartos fríos

Los cuartos fríos son lugares destinados para el almacenamiento y manipulación de productos frescos y no elaborados. También son lugares en los que se pueden recibir mercancías.

Los cuartos fríos son con frecuencia usados en carnicerías, restaurantes, comedores industriales, fruterías, en el manejo de flores, en laboratorios, etc. Además, con el uso de estos cuartos se puede congelar o refrigerar cualquier tipo de producto.

Los vegetales son en su gran mayoría perecederos. Después de la cosecha sigue un proceso llamado comúnmente respiración durante el cual los azúcares se combinan con el oxígeno del aire produciendo anhídrido carbónico y agua y despidiendo calor, hasta llegar a la completa maduración del fruto. Al mismo tiempo, los microorganismos que están presentes en los frutos a temperatura ambiente, se alimentan y reproducen a un ritmo exponencial, a medida que se acerca la maduración, destruyendo los tejidos.

Se ha comprobado que si se mantiene el producto cosechado a temperatura menor que la del ambiente, se consigue alargar el período de maduración un tiempo que varía desde 3-4 días hasta 6-8 meses, de acuerdo a la especie y a la variedad.

La carne de animales (vaca, porcinos, peces, aves) después de sacrificados no siguen ningún proceso natural salvo el ataque de microorganismos que, a temperatura ambiente, atacan los tejidos. La carne deja de ser comestible en 2-3 días. También en este caso, manteniendo las carnes a bajas temperaturas, el proceso de deterioro se puede evitar y así consumir la carne varios meses después del sacrificio.

La importancia que tiene la conservación de alimentos es precisamente la posibilidad de ofrecer los frutos y las carnes durante un período más largo.

Tipos de cuarto fríos

Tipos	Temperatura	Usos
Conservación frutas	5ºC - 5ºC	Frutas, hortalizas, flores, productos lácteos, alcohol, chocolate, arroz, vino, huevos frescos, carne fresca y así sucesivamente
conservación pescado	-10ºC - 20ºC	El pescado congelado, carne congelada, pollo congelado, huevos congelados y así sucesivamente
Almacenamiento productos	-20ºC - 35ºC	Pescado fresco y congelar los productos de arroz, los helados, productos sanguíneos, materias primas químicas y así como de almacenamiento a baja temperatura
Congelación frío	10ºC - 60ºC	La electrónica, la metalurgia, la bio-farmacéutica, química, las industrias de la construcción de automóviles materiales, como el aeroespacial ultra prueba industrial y frigorífico de baja temperatura de tratamiento en frío

Funcionamiento de cuartos frío

Las aplicaciones básicas de cuartos fríos:

• Cuarto frio de mantenimiento (Cámara): El producto entra congelado o no, solo se mantendrá la temperatura y la humedad
• Cuarto frio de congelamiento (Precamara): El produce se introduce a latemperatura ambiente exterior y se lleva hasta el punto de control (Temperatura y humedad de conservación).

En sistemas pequeños el uso básico es el de mantenimiento, aun cuando en estos casos es posibles congelar pequeñas cantidades del producto, dentro de esta categoría están los cuartos fríos de 1600 pies³

Carga de refrigeración en cuarto fríos

Las cargas de refrigeración para un cuarto frio son según (Goribar, 2007):

1.        La transmisión de calor a través de barreras o sea, paredes techos y pisos.

2.        La ganancia de calor debida al efecto solar

3.        La ganancia por infiltración

4.        La ganancia de calor debida a ocupantes

5.        La ganancia de calor debida a equipo, alumbrado, o cualquier otro tipo de equipo que genere calor

6.        La ganancia de calor debida a aire de ventilación

7.        La ganancia de calor debida a los productos a refrigerar

8.        La ganancia de calor debida a la respiración de algunos productos

9.        La ganancia de calor debida abatimiento del producto

10.     La ganancia debida a materiales de envoltura o envases

1.        Carga por transmisión de calor por paredes

La ganancia de calor por transmisión determina la cantidad de flujo de calor a través de los muros, piso y techo. Esta ganancia de calor es directamente proporcional al DT (T_e - T_i). Existen tablas que proporcionan información de U para simplificar los cálculos, estas se dan en base a DT:

DT= T_e - T_i

Q_T = A x U x (T_e - T_i)

Q_T = A x U₂₄ (Usada para DT sin K)

Donde:

Q_T= Carga de calor en [BTU/24h]

U = Coeficiente de transmisión de calor [BTU/h pie^{2 0}F]. Tabla

U₂₄ = Coeficiente de transmisión de calor en [BTU/24h pie²]. Tabla

K = Incremento de calor en [⁰F]. Tabla

T_e = Temperatura exterior [⁰F]

T_{i =} Temperatura interior [⁰F]

2.        Ganancia de calor debida al efecto solar

La ganancia de calor por efecto solar se calcula mediante la fórmula:

DT= T_e - T_i + K

Q_T = A x U₂₄ (USADA para DT con K)

Donde:

Q_S= Carga de calor en [BTU/h]

U = Coeficiente de transmisión de calor en [BTU/h pie^{2 0}F]. Tabla

U₂₄ = Coeficiente de transmisión de calor en [BTU/24h pie²]. Tabla

K = Incremento de calor en [⁰F]. Tabla

T_e = Temperatura exterior en [⁰F]

T_{i =} Temperatura interior en [⁰F]

3.        Ganancia de calor por infiltración

Los cuartos fríos por lo general no tienen ventanas y las puertas están selladas, por lo que la infiltración que se calcula es por las aperturas de las puertas: La ganancia de calor por infiltración

Q_I = M x (h_e - h_i)

M = V⁰ /n_total

V⁰ = V x Cambio de aire/24 h

h = C_p x T + W_d x h_v x f

n_total = n_{aire seco} + (n_{aire saturado} - n_{aire seco)} x f

Donde:

Q_I= Carga de calor en [BTU/24h]

M = Flujo de peso [lb/h].

V⁰ = Flujo de caudal de aire [pies³/24h].

n_total = Volumen específico total del aire [pies³/lb]

Cambio de aire = Cambios promedios de aire en 24 horas. Tabla para cuartos por encima y por debajo de 32 ⁰F

h_e = Entalpia exterior en [BTU/lb]

h_{i =} Entalpia interior en [BTU/lb]

C_{P =} Calor especifico del aire=0.24 [BTU/lb ⁰F]

T ₌ Temperatura [⁰F]

W_{d =} Peso especifico del vapor de agua saturado [lb vapor/lb aire]

h_{v =} Entalpia  del vapor de agua [BTU/lb]. Tabla

f = Humedad relativa [%]

n_{aire seco} = Volumen específico del aire seco [pies³/lb]. Tabla

n_{aire saturado} = Volumen específico del aire  saturado [pies³/lb]. Tabla

La carga térmica puede ser sustancial y cualquier medio debe considerarse para reducir la cantidad de infiltración que entra en la cámara. Algunos medios efectivos para reducir esta carga son:

·          Cierre automático de las puertas del cuarto frio

·          Vestíbulos o antecámaras refrigeradas

·          Cortinas de aire

·          Cortinas de plástico en tiras (hawaianas)

4.        Ganancia de calor debida a las personas

La ganancia de calor producida por los ocupantes del cuarto frio dependerá de la actividad que desarrollen dentro del espacio. La ganancia se calcula como sensible y como latente. Existen tablas y graficas que dan el calor sensible y latente.

Q_PES = np x qs x 24

Q_PEL = np x q_L x 24

Donde:

Q_PES = Carga de calor sensible por persona en [BTU/24h]

Q_PEL = Carga de calor sensible por persona en [BTU/24h]

np = Numero de personas

qs = Calor sensible en [BTU/h]. Tabla

q_L = Calor latente en [BTU/h]. Tabla

5.        Ganancia de calor debida al equipo misceláneo

Las ganancias de calor producida por los equipos que se encuentran dentro del cuarto frio. Este calor es liberado mayormente por los ventiladores del evaporador así también como de las resistencias para el descarche de la unidad evaporadora

Q_MS= ne x qs x 24

Q_ML= ne x q_L x 24

Para el caso de alumbrado

Q_A= 3.42 x Watts x FB x 24

Para cualquier equipo que se conozca la potencia

Q_E= 3.42 x Watts x 24

Donde:

Q_MS = Carga de calor por equipos eléctricos misceláneos en [BTU/24h]

Q_A = Carga de calor por alumbrado en [BTU/24h]

Q_E = Carga de calor por equipos eléctricos en [BTU/24h]

Np = Numero de equipos

qs = Calor sensible en [BTU/h]. Tabla

q_L = Calor latente en [BTU/h]. Tabla

Watts = Potencia del alumbrado [watts]

FB = Factor de balastra. FB = 1.0 para lámparas incandescentes. FB = 1.25 para lámparas fluorescentes

6.        Ganancia de calor debida al aire de ventilación

La ganancia de calor producida por ventilación busca en los cuartos fríos controlar la humedad del aire para la preservación y evitar malos olores. La ganancia se calcula como sensible y como latente. Existen tablas

Q_VS = 1.08 x CFM_a/V x (T_e - T_i) x 24

Q_VL = 4880 x CFM_a/V x (W_e - W_i) x24

Donde:

Q_VS = Carga de calor sensible por ventilación en [BTU/24h]

Q_VL = Carga de calor latente por ventilación en [BTU/24h]

CFM_a/V = Caudal de aire de ventilación  en [pies³/min]

T_e = Temperatura exterior en [⁰F]

T_{i =} Temperatura interior en [⁰F]

W_e = Humedad absoluta del aire del exterior  [lb vapor/lb aire]

W_{i =} Humedad absoluta del aire del interior  [lb vapor/lb aire]

7.        Ganancia de calor debida a los productos por refrigerar

La ganancia de calor  a la conservación de los alimentos se ha dividido según el caso en:

• ·          Calor sensible arriba de punto de congelación
• ·          Calor latente de congelación
• ·          Calor sensible por debajo de punto de congelación

Calor específico: Es la cantidad de calor que debe de ser removido de una libra de producto para reducir su temperatura 1°F, se le llama calor específico.

Calor Latente: La cantidad de calor que debe eliminarse a una libra de producto para congelarlo, se le llama calor latente de fusión

Calor sensible arriba de punto de congelación

Cuando un producto entra a un cuarto frio con una temperatura mayor que la del propio espacio, el producto cede calor hasta que se enfría a la temperatura del cuarto. Cuando esta temperatura esta encima del punto de congelación el calor cedido  Q₁ se llama calor sensible arriba del punto de congelación y se calcula de la siguiente manera:

Q_1p = W x C₁ x (T_e - T_i)

Donde:

Q_1p = Calor cedido en [BTU/24h]

C₁ = Calor especifico del producto arriba del punto de congelación en [BTU/lb ⁰F]. Tabla

W = Peso del producto en [lb/24h]

T_e = Temperatura exterior [⁰F]

T_{i =} Temperatura interior [⁰F]

Calor latente de congelación (SOLO SE APLICA POR DEBAJO DE 32 ⁰F)

Si el producto se congela, este cederá su calor latente mientras cambia de estado a la temperatura de congelación.

Q_2p = W x h_e

Donde:

Q_2p = Calor latente de congelación cedido al espacio [BTU/24h]

W = Peso del producto en [lb/24h]

h_e = Calor latente de congelación del producto en [BTU/lb]

Calor sensible por debajo del punto de congelación

Cuando se requiere refrigerar el producto por debajo del punto de congelación, la carga de calor se calcula:

Q_3p = W x C₂ x (T_c – T₃)

Donde:

Q_3p = Calor cedido en [BTU/24h]

C₂ = Calor especifico del producto abajo del punto de congelación en [BTU/lb ⁰F]. Tabla

W = Peso del producto en [lb/24h]

T_c = Temperatura de congelación [⁰F]

T_{3 =} Temperatura final [⁰F ]

8.        Ganancia de calor debida al calor por respiración de algunos productos.

Los vegetales y las frutas se encuentran vivas después de ser cortadas y continúan sufriendo cambios metabólicos. El cambio más importante se debe a la respiración, proceso en el cual el oxigeno se combina con los carbohidratos resultando bióxido de carbono y calor. El calor que se obtiene se llama calor de respiración

Q_R = W x R x24

Donde:

Q_R = Calor por respiración [BTU/24h]

W = Peso del producto en [lb]

R = Calor por respiración [BTU/lb h].Tabla

9.        Ganancia de calor al ABATIMIENTO del producto

         Cuando la carga del producto es calculada con un tiempo de abatimiento diferente a 24 horas, se usa  factor de corrección:

Factor de corrección a la ganancia del producto: [24 horas / Horas de abatimiento]

Según BOHN, mientras que el abatimiento de temperatura del producto puede ser calculado, no debe otorgarse ninguna garantía en relación con la temperatura final del producto debido a los diversos factores incontrolables. (Esto es el tipo de empaque, posición de la carga, método de almacenamiento, etc.)

10.     Ganancia de calor debida a las envolturas o envases

Cuando el producto está contenido en botellas, cajas, envolturas, etc., el calor cedido por estos debe considerarse en el cálculo de la carga total.

Q_E = W x C_e x (T₂ – T₁) x24

Cuando no se conoce el peso, se calcula QE como un 5% de Q del producto

 Donde:

Q_T = Carga de calor en [BTU/h]

W = Peso de las envolturas [lb/h]. Tabla

C_e = Calor especifico del material en [BTU/lb ⁰F].

T₁ = Temperatura de entrada [⁰F]

T_{2 =} Temperatura de salida [⁰F]

Factor de Seguridad 

 Una vez calculada la ganancia total se le agrega un factor de seguridad del 10% para con ello corregir cualquier error, omisión o inexactitud, es seguridad adicional o reserva disponible.

Carga Térmica por hora por efecto del descongelamiento

La temperatura del evaporador es muchas veces más baja que la del punto de congelación por lo que el vapor de agua se condensa en los serpentines, formándose hielo, el cual evidentemente afecta la eficiencia del sistema. Este proceso de descogelamiento se lleva a cabo por varias maneras:

• Descongelamiento por interrupción del ciclo. Este método consiste en apagar el sistema, el cual toma bastante tiempo.
• Descongelamiento por agua. Este método consiste en la interrupción del sistema y se hace circular agua por el serpentín hasta que se descongele
• Descongelamiento automático. En este caso se calientan los tubos del evaporador por medios externos.

La carga térmica por hora sirve como guía en la selección del equipo Se calcula dividiendo la carga térmica final en BTU/24 hrs por el tiempo de funcionamiento deseado de la unidad condensadora y según BOHN es:

Cámaras sin reloj a 35 °F: 16 hrs

Cámaras con reloj a 35 °F: 18 hrs

Túnel de enfriamiento/congelación con deshielo positivo: 18 hrs

Conservador de congelados: 20 hrs

Refrigeradores de 25°F a 34°F con deshielo eléctrico ó por gas caliente: 20-22 hrs

Cámaras a 50°F y temperaturas mayores, con temperatura del serpentín por arriba de 32°F: 20-22 hrs

Carga total de refrigeración en cuarto fríos

Q_TOTAL= Q_TRANSMISION + Q_INFILTRACION + Q_PERSONAS + Q_EQUIPOS + Q_ALUMBRADO + Q_VENTILACION +Q_PRODUCTOS + Q_RESPIRACION + Q_ENVOLTURA

 Q_{GRAN TOTAL} = Q_TOTAL + 10% x Q_TOTAL

Factor de seguridad = 10%

Requerimientos de enfriamiento [BTU/h] = QGRAN TOTAL [BTU/24h] / Horas de descongelamiento 

Bibliografía: 

Hernández Goribar, E.(2007). Fundamentos de Aire Acondicionado y Refrigeración. México. Limusa