23 enero 2012

Guía básica para diseñar y analizar sistemas de refrigeración (5ª PARTE)


Ver 4ª PARTE

Suelo y cimentaciones

En muchas de las instalaciones construidas actualmente se usan placas de hormigón sin aislar. Las placas deben tener suficiente grado para resistir un ambiente húmedo y proporcionar un aceptable aislamiento. Si es una cámara de congelación deberá tener un espesor mínimo de 100 mm y R-20 o mayor.

Condensación y humedad

Los serpentines de enfriamiento del sistema de refrigeración deben estar más fríos que el aire en la cámara si el aire se está enfriando. Cuanto mayor es la diferencia de temperatura, mayor es la tasa de transferencia de calor y más pequeños (y más baratos) los serpentines de enfriamiento. Sin embargo, en la superficie del serpentín el vapor de agua se condensa, ya sea en forma de líquido o hielo. La condensación en el serpentín del evaporador representa un derroche en la capacidad de refrigeración que debe minimizarse. Permitir la entrada de aire caliente y húmedo en la cámara es particularmente costoso porque el sistema de refrigeración no sólo enfría el aire sino que también condensa el vapor de agua adicional.

Además de reducir sustancialmente la eficiencia energética del sistema, la condensación de agua reduce la humedad del aire. Ya que la humedad de almacenamiento óptima para la mayoría de los productos o más, debe añadirse humedad con un humidificador o la diferencia entre el aire y las temperaturas del serpentín deben ser minimizados. La diferencia de temperatura puede reducirse incrementando el tamaño de los serpentines lo bastante como para que el diferencial de temperatura del aire a serpentín sea menos de 3,5 ºC. El sistema será ligeramente más caro, pero los beneficios pronto pagarán la diferencia en costes.

Si la temperatura de la cámara está por debajo de 2,2 ºC, la temperatura del serpentín debe estar por debajo del punto de congelación, y el hielo por tanto se acumulará en la superficie del serpentín. El hielo debe quitarse periódicamente pro algún tipo de mecanismo de desescarche, tal como calentadores de resistencias eléctricas, o atomización de agua caliente, o invirtiendo momentáneamente el caudal de refrigerante. Si el sistema de refrigeración tiene suficiente capacidad, puede dejarse 6 u 8 horas para que el hielo se funda naturalmente sin añadir calor suplementario. Los mecanismos diseñados específicamente para ayudar al desescarche introducen calor en la habitación para fundir el hielo del evaporador, añadiendo así carga de enfriamiento. La cantidad de calor añadida, aunque pequeña, debe tomarse en cuenta cuando se calcula el tamaño de la unidad de refrigeración.

Puertas

Las puertas son una parte crítica de las instalaciones de refrigeración. Puertas mal construidas o mantenidas derrochan gran cantidad de energía. Las puertas tendrían el mismo aislamiento que las paredes y deben estar bien protegidas para reducir la infiltración del aire caliente.

Tuberías

El tamaño típico de las tuberías en las cámaras frigoríficas varía de 1” a 2” con circulación de salmuera o expansión directa.

El coste extra de la tubería será a menudo compensado por la consecuente mejora en la eficiencia de la operación del compresor. Se proporcionará una válvula de expansión por cada 150 m de longitud en una tubería de 1 “, cada 200 m en tuberías 1 ¼ “, y cada 300 m de tubería de 50 mm cuando se usa expansión directa.

Los valores de los coeficientes totales de transferencia de calor en Btu/h ft2 ºF podemos verlos en la siguiente tabla:


Circulación de salmuera

La circulación de salmuera se prefiere a la expansión directa para evitar los peligros derivados del escape de amoniaco u otros refrigerantes en caso de que las tuberías tengan pérdidas. Una ventaja de los sistemas de salmuera es que siempre hay siempre una considerable masa de salmuera refrigerada que puede extraerse en el caso de que la maquinaria tenga que ser parada por cualquier razón. En pequeñas plantas, la maquinaria general puede pararse en la noche y sólo la bomba de salmuera puede mantenerse para distribuir el exceso de refrigeración que se ha acumulado durante el día. Las tuberías de salmuera deben consistir en dos líneas, una de flujo y otra de retorno, usualmente del mismo tamaño. El almacenamiento de salmuera raramente se usa en grandes plantas por su tamaño, su coste inicial, y la incapacidad práctica para almacenar mucha refrigeración.

Los serpentines de salmuera en cada espacio refrigerado se colocan en paralelo a través de las tuberías de alimentación y retorno. Es una práctica común permitir 30-36 m de tubería por circuito de baja temperatura y 120-135 m para alta temperatura. Las toneladas de refrigeración producidas por la salmuera a varias diferencias de temperatura y tasas de bombeo pueden calcularse aproximadamente de la siguiente forma:


MÉTODO DE CÁLCULO DE CÁMARAS FRIGORÍFICAS

La temperatura de almacenamiento óptima debe mantenerse continuamente para obtener el mayor beneficio del almacenamiento en frío. Para estar seguro que dispondremos de la temperatura deseada, se calculan las capacidades de refrigeración requeridas usando las condiciones más severas esperadas durante la operación. Estas condiciones incluyen la temperatura exterior máxima promedio, la máxima cantidad de frío producido cada día, y la máxima temperatura del producto que se enfría. La cantidad total del calor que el sistema de refrigeración debe extraer de la habitación refrigerada es llamada carga de calor.  Las pérdidas de frío en el cuarto refrigerado proceden de varias fuentes:

Calor por conducción – Calor entrando a través de paredes, techo y suelo.
Calor de campo – Calor que debe extraerse del producto para enfriarlo a la temperatura de almacenaje.
Calor de respiración – Calor generado por el producto como un sub-producto natural de la respiración.
Carga de servicio – Calor de luces, equipos, personas, y aire húmedo, caliente que entra a través de grietas o a través de la puerta cuando se abre.

Conducción de calor

El calor se conduce a través de las paredes, techo y suelo. La cantidad de calor fluyendo a través de estas superficies es una función de su resistencia térmica (valor R) o conductividad, su área, y la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior.

q = k A dT / s

Donde:

A = Área de transferencia de calor (m2, ft2)
k = Conductividad térmica del material  (W/m.K or W/m oC, Btu/(hr oF ft2/ft))
dT = Diferencia de temperature a través del material (K or oC, oF)
s = Espesor del material (m, ft)

El calor conducido a través del suelo también se calcula con esta ecuación. Sin embargo, ya que los techos usualmente tienen una exposición más directa a la luz del sol y de ahí a temperaturas más altas, se instala más aislamiento, y la diferencia de temperatura se incrementa unos 6 ºC.

Calor de campo

La segunda fuente de calor es el calor introducido en la propia instalación de frío. La cantidad de calor de campo usualmente se calcula a partir de la temperatura mensual máxima. Por ejemplo, pensemos en manzanas que deben enfriarse desde la temperatura de 26 ºC en el campo a 0 ºC en 24 horas.

El calor de campo es el calor específico del producto, la diferencia de temperatura entre la temperatura de campo y la temperatura de almacenamiento, y el peso del producto.

FH (Btu/hr) = SH (Btu/lb/F) X DT (F) X W (lb)

Si los productos son puros o bien conocidos encontraremos tabulados los valores de calor específico, pero muchas veces tendremos que utilizar cálculos más detallados si queremos afinar en el diseño, sobre todo si trabajamos con productos que tengan lípidos como el pescado.

el valor del calor específico puede calcularse también de forma más precisa, teniendo en cuenta las variaciones en el contenido de aceite del pescado, y este valor perfeccionado puede utilizarse cuando la composición de la captura sea razonablemente homogénea.

Cep = 0,5 XI + 0,3 Xs + 1,0 Xa

donde Cep = el calor específico del pescado (kcal/kg)

XI = la proporción de lípidos (aceite) de la masa
Xs = la proporción de sólidos de la masa
Xa = la proporción de agua de la masa

Calor de respiración

La tercera fuente de calor es la respiración del producto en sí mismo. Los productos hortícolas están vivos y despiden calor ya que ellos respiran. La cantidad de calor producido depende de la temperatura, del cultivo, y de las condiciones y tratamiento ha recibido por el cultivo.

La cantidad de calor expedido aproximadamente se dobla cada diez grados de aumento de temperatura.

Carga de servicio

La cuarta fuente de calor comprende un número de objetos diversos. Incluyen equipos como luces y ventiladores, o personas, el calor que entra por la puerta abierta, y el calor que entra por grietas. La cantidad de calor con la que contribuyen estas fuentes es muy difícil de determinar exactamente. Las cargas de servicio se suelen estimar colectivamente en un 10 % del calor de las otras tres fuentes: conducción, calor de campo y calor de respiración.

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