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Unidad 5. Extracción de calor (refrigeración, congelación y ultra congelación.) Alumno: Milady Judit Gutiérrez Vieyra.

Profesor: Ing. Daniel Sosa Guerrero.

Materia: transferencia de calor.

Carrera: Ingeniería en industrias alimentarias.

5.1 DEFINICIÓN, CARACTERÍSTICAS Y FUNDAMENTOS DE UN SISTEMA DE EXTRACCIÓN DE CALOR. La extracción de calor es el mecanismo empleado para disminuir la temperatura de un producto en este caso de un alimento para la preservación de este. La temperatura es un factor importante para mantener la calidad de los alimentos almacenados. El descenso de la temperatura disminuye la velocidad de las reacciones que producen el deterioro de la calidad de los alimentos. En general se acepta un descenso de temperatura de 10°C reduce la velocidad de la reacción a la mitad. El frío se produce mediante sistemas de refrigeración estos sistemas el calor se transmite desde la cámara de refrigeración estos sistemas el calor se transmite desde la cámara de refrigeración hasta la zona en la que puede eliminarse más fácilmente la temperatura. La transferencia de calor se realiza mediante un agente refrigerante que, cambia de estado líquido a vapor. El agente refrigerante tiene un punto de ebullición más bajo que el del agua.

La refrigeración. La refrigeración emplea temperaturas suficientemente bajas, pero por encima del punto

de congelación,

puede

resultar

un tratamiento

satisfactorio para

la conservación de alimentos que mantengan su actividad fisiológica, como las frutas y las hortalizas. 

Temperatura: La temperatura de conservación quedará definida por la naturaleza

de

los

productos

almacenados

y

por

la

duración

del

almacenamiento. La temperatura debe ser constante y perfectamente uniforme en todo el interior de la cámara frigorífica.



Humedad relativa: Para la conservación frigorífica de los productos perecederos, con carácter general, se recomienda que la humedad relativa del recinto se mantenga entre el 85 y el 95 %.



Renovaciones de aire: La composición química de la atmósfera de una cámara frigorífica puede modificarse debido a la emanación de sustancias volátiles por los productos almacenados.



Incompatibilidad entre los productos almacenados: En los casos en que para completar la carga de una cámara frigorífica sea necesario conservar juntos más de un alimento, se tendrá en cuenta las incompatibilidades de estos alimentos entre sí.

Las instalaciones de refrigeración, de acuerdo con el sistema utilizado para eliminar el calor, se clasifican en. 1. Sistemas mecánicos. 2. Sistemas criogénicos. Las partes principales de la instalación frigorífica son: 

Evaporador: Consiste en unos serpentines por los que circula el frigorífero utilizado en la instalación.



Compresor: En él, el frigorígeno, que viene del evaporador en forma gaseosa, al ser comprimido aumenta de presión, lo que origina una subida de su temperatura.



Condensador: El frigorígeno comprimido y caliente, pero aún en estado gaseoso, pasa al condensador donde cederá el calor que transporta procedente del evaporador.



Válvula de expansión: Esta válvula regula la salida de líquido y tras reducir su presión, permitirá el cambio de estado (de líquido a gas) con absorción del calor.

Existen diferentes tipos de enfriamiento: 

Enfriamiento por aire: El enfriamiento por aire se realiza mediante transferencia de calor por convección desde la superficie del producto, a través de la película de aire que le rodea, hasta una corriente de aire enfriado por un dispositivo apropiado. 



Enfriamiento en cámaras frigoríficas.

Los túneles de enfriamiento. Son recintos especialmente construidos para conseguir altas velocidades del aire (entre los 5 y 15 m/s) que permitan alcanzar valores altos de coeficiente de película o, lo que es lo mismo, tiempos cortos de enfriamiento. 

Los túneles discontinuos son recintos en los que los productos se depositan en palets o bien se cuelgan de un transportador aéreo.



En los túneles continuos la mercancía puede enfriarse a granel encajada o colgada de un transportador aéreo.



Enfriamiento por agua. En este caso, la disipación del calor se efectúa por convección forzada, a través de la película de agua que cubre la superficie del producto.



Los sistemas por lluvia dejan caer sobre el producto un gran caudal de agua desde un plano a mayor altura que la superficie superior del producto.



Los sistemas por inmersión alcanzan un menor coeficiente de película.



Los continuos están formados por un túnel de 12 a 15 metros de longitud, en el interior del cual el producto circula, generalmente paletizado, sobre un transportador.



Los enfriadores

discontinuos se

montan

en

cámaras

de

pequeñas dimensiones en las que los palets se suelen disponer hasta tres alturas. o

Enfriamiento por vacío. La refrigeración por vacío consiste en colocar la mercancía en un recinto en el que se reduce la presión a un valor suficientemente bajo para que parte de su agua de constitución se vaporice.

Los sistemas criogénicos. Estos sistemas utilizan para la producción de frío unos líquidos que se vaporizan o unos sólidos que se subliman en un proceso abierto. Los frigorígenos empleados

en

los sistemas

criogénicos cumplirán

las

siguientes condiciones: 

Poder liberarse a la atmósfera sin que esto suponga un riesgo para los usuarios ni para el medio ambiente.



Que su ebullición o sublimación se produzca, a presión atmosférica, a una temperatura suficientemente baja para que sea posible su utilización, en procesos de refrigeración y de congelación, con unos saltos térmicos que aseguren una eficiente transmisión de calor.



Que su costo sea razonablemente bajo para que el proceso de enfriamiento o congelación sea rentable.

5.2 DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN, REFRIGERANTES, CICLOS DE REFRIGERANTES Y DIAGRAMAS DE MOLLIER. 5.2.1 sistemas de refrigeración. La refrigeración es el proceso que se emplea en los aparatos de aire acondicionado: consiste en producir frío, o mejor dicho, en extraer calor ya que para producir frío lo que se hace es transportar calor de un lugar a otro. Así, el lugar al que se le sustrae calor se enfría. Al igual que se puede aprovechar diferencias de temperatura para producir calor, para crear diferencias de calor, se requiere energía. Generalmente la refrigeración

por

aire

acondicionado se

produce

mediante

dos sistemas

de refrigeración: por compresión o refrigeración por absorción. Sistema de refrigeración por compresión. El sistema convencional de refrigeración y el más utilizado en el aire acondicionado, es el sistema de refrigeración por compresión. Mediante energía mecánica se comprime un gas refrigerante. Al condensar, este gas emite el calor latente que antes, al evaporarse, había absorbido el mismo refrigerante a un nivel de temperatura inferior. Para mantener este ciclo se emplea energía mecánica, generalmente mediante energía eléctrica. Dependiendo de los costos de la electricidad, este proceso de refrigeración es muy costoso. Por otro lado, tomando en cuenta la eficiencia de las plantas termoeléctricas, solamente una tercera parte de la energía primaria es utilizada en el proceso. Además, los refrigerantes empleados hoy en día pertenecen al grupo de los fluoroclorocarbonos, que por un lado dañan la capa de ozono y por otro lado contribuyen al efecto invernadero.

Un ciclo simple frigorífico comprende cuatro procesos fundamentales: 

1. La regulación.



2. La evaporación.



3. La compresión.



4. La condensación.

La regulación 1. El ciclo de regulación ocurre entre el condensador y el evaporador, en efecto, el refrigerante líquido entra en el condensador a alta presión y a alta temperatura, y se dirige al evaporador a través del regulador. 2. La presión del líquido se reduce a la presión de evaporación cuando el líquido cruza el regulador, entonces la temperatura de saturación del refrigerante entra en el evaporador y será en este lugar donde se enfría. 3. Una parte del líquido se evapora cuando cruza el regulador con el objetivo de bajar la temperatura del refrigerante a la temperatura de evaporación. La evaporación 1. En el evaporador, el líquido se vaporiza a presión y temperatura constantes gracias al calor latente suministrado por el refrigerante que cruza el espacio del evaporador. Todo el refrigerante se vaporizada completamente en el evaporador, y se recalienta al final del evaporador. 2. Aunque la temperatura del vapor aumenta un poco al final del evaporador debido al sobrecalentamiento, la presión se mantiene constante. 3. Aunque el vapor absorbe el calor del aire alrededor de la línea de aspiración, aumentando su temperatura y disminuyendo ligeramente su presión debido a las pérdidas de cargas a consecuencia de la fricción en la línea de aspiración, estos detalles no se tiene en cuenta cuando uno explica el funcionamiento de un ciclo de refrigeración normal. La compresión 1. Por la acción del compresor, el vapor resultante de la evaporación es aspirado por el evaporador por la línea de aspiración hasta la entrada del compresor. En el compresor, la presión y la temperatura del vapor aumenta

considerablemente gracias a la compresión, entonces al vapor a alta temperatura y a alta presión es devuelto por la línea de expulsión. La condensación 1. El vapor atraviesa la línea de expulsión hacia el condensador donde libera el calor hacia el aire exterior.Una vez que el vapor ha prescindido de su calor adicional, su temperatura se reduce a su nueva temperatura de saturación que corresponde a su nueva presión. En la liberación de su calor, el vapor se condensa completamente y entonces es enfriado. 2. El líquido enfriado llega al regulador y está listo para un nuevo ciclo.

Sistema de refrigeración por absorción Un método alternativo de refrigeración es por absorción. Sin embargo este método por absorción solo se suele utilizar cuando hay una fuente de calor residual o barata, por lo que la producción de frío es mucho más económica y ecológica, aunque su rendimiento es bastante menor. En estos sistemas la energía suministrada es, en primer lugar, energía térmica. El refrigerante no es comprimido mecánicamente, sino absorbido por un líquido solvente en un proceso exotérmico y transferido a un nivel de presión superior mediante una simple bomba. La energía necesaria para aumentar la presión de un líquido mediante una bomba es despreciable en comparación con la energía necesaria para comprimir un gas en un compresor. En este sistema de refrigeración por absorción, al igual que en el de compresión se aprovecha que ciertas sustancias absorben calor al cambiar de estado líquido a gaseoso. En el caso de los ciclos de absorción se basan físicamente en la capacidad de absorber calor que tienen algunas sustancias, tales como el agua y algunas sales como el bromuro de litio, al disolver, en fase líquida, vapores de otras sustancias tales como el amoniaco y el agua, respectivamente. El refrigerante se evapora en un intercambiador de calor, llamado evaporador, el cual enfría un fluido secundario, para acto seguido recuperar el vapor producido disolviendo una solución salina o incorporándolo a una masa líquida. El resto de

componentes e intercambiadores de calor que configuran una planta frigorífica de absorción, se utilizan para transportar el vapor absorbido y regenerar el líquido correspondiente para que la evaporación se produzca de una manera continua.

Ciclo de refrigeración por absorción. En los sistemas de refrigeración por absorción se diferencia entre dos circuitos, el circuito del refrigerante entre compresor térmico, condensador y evaporador, y el circuito del solvente entre el absorbedor y el separador. Una ventaja notable de los sistemas de absorción es que el refrigerante no es un fluoroclorocarbono. La mezcla de refrigerante y solvente en aplicaciones de aire acondicionado y para temperaturas mayores a 0°C es agua y bromuro de litio (LiBr). En aplicaciones para temperaturas hasta -60°C es amoniaco (NH3) y agua.

5.2.2 Clases de refrigerantes. Existen muchos tipos de gases refrigerantes los cuales se usan comúnmente en los sistemas de refrigeración. En las primeras instalaciones de refrigeración se empleaban por lo general el amoniaco, bióxido de sulfuro, propano, etano y cloruro metálico, los cuales aún se usan en varias aplicaciones. Sin embargo debido a que estas sustancias son tóxicas, peligrosas o tienen características no deseadas, han sido reemplazadas por substancias creadas especialmente para usarse en refrigeración. En trabajos a temperaturas extra bajas o en instalaciones con grandes compresores centrífugos, se usan refrigerantes especiales, pero para refrigeración comercial y

aire acondicionado que utilizan compresores reciprocantes, se usan refrigerantes R134a, R-22, R-404A, R-507 y R-410A. Muchos refrigerantes en uso actualmente contienen, carbono, flúor, cloro, y en algunos casos hidrógeno. La excepción son el amoniaco y los HFC ( Hidrofluorocarbonos ). Refrigerantes sintéticos.

REFRIGERANTES HCFC Los Hidroclorofluorocarbonos (HCFC) son la segunda generación de refrigerantes que están vigentes actualmente. Aunque contiene cloro que daña la capa de ozono, los refrigerantes HCFC también contienen hidrógeno, que lo hace químicamente menos estable una vez que sube a la atmósfera. Su potencial de agotamiento es muy bajo y varia de 0.001 a0.11. Para los países en desarrollo está permitido su uso hasta el año 2040. El R-22 es un ejemplo de un refrigerante HCFC que se ha utilizado en todo el mundo por muchos años. La mayoría de los equipos pequeños de aire acondicionado, por ejemplo el tipo ventana o el Mini-Split utilizan el R-22.

REFRIGERANTE HFC. Los Hidrofluorocarbonos (HFC) se consideran la tercera generación de gases refrigerantes, ya que han sido creados para sustituir a los CFC y los HCFC. En un principio han sido considerados como ecológicos, por no dañar a la capa de ozono atmosférico, pero la presencia de flúor en su composición provoca que al ser emitidos se comporten como un gas de efecto invernadero y estos contribuyan al calentamiento global. Por esta razón, tienen que ser sometidos a restricciones en cuanto a su uso para reducir al mínimo sus emisiones. Su PAO es de cero, pero en general tienen valores de PCG (Potencial de Calentamiento Global) elevados, lo que implica una influencia elevada en el efecto invernadero global. Esto significa que en el futuro, todas las instalaciones de refrigeración y aire acondicionado estarán controladas por reglamentaciones relacionadas con el ambiente. Los HFC, aunque representan una fracción pequeña de todos los gases de efecto invernadero, están creciendo rápidamente en la atmósfera. La emisión de estos gases refrigerantes podría aumentar en casi veinte veces en las próximas tres décadas sin no se toman medidas para reducir su consumo.

.

REFRIGERANTES HFO R-1234ZE R-1234 R-1234ze El R-1234ze es un HFO ligeramente inflamable, conocido como hidrofluoruroolefina. Este refrigerante contiene hidrógeno, flúor y carbono. Se encuentra en la misma familia de refrigerantes que el R-1234yf, que actualmente se utiliza en los sistemas de aire acondicionado de algunos vehículos. Es ideal para utilizarse en temperaturas medias y altas, como en enfriadores de agua. Su capacidad de refrigeración también es baja en comparación con otros HFC, lo que supone que se necesiten distintos compresores con un desplazamiento mayor en relación con el motor. El R-1234ze no está muy generalizado su uso aún, pero se está probando en enfriadores y sistemas integrales. Ya están disponibles para pruebas varias mezclas de R-1234ze. Tienen menores temperaturas de saturación, por lo que se podrían usar en baja temperatura. En todos los casos su PCG está por encima de 300. Algunas mezclas con este refrigerante no son inflamables, pero en ese caso tienden a tener un PCG mayor. El R-1234yf es un tipo de refrigerante similar al R-1234ze, y se está comenzando a utilizar en sistemas de aire acondicionado de vehículos.

REFRIGERANTES NATURALES. HIDROCARBUROS. REFRIGERANTE HIDROCARBURO PROPANO R-290. Tanque de R-290 BFS Kälte Klima Technik Frankfurt, Alemania. El propano es una alternativa muy conveniente para la refrigeración y el aire acondicionado,

ya

que

es

amigable

con

el

medioambiente.

Los refrigerantes inflamables no sólo ofrecen una gran reducción de las emisiones directas, sino que también aumenta la eficiencia energética del ciclo de refrigeración (reduce las emisiones indirectas), lo que es un paso importante para sustituir y lograr

la

eliminación gradual

de

los

hidroclorofluorocarbonos

(HCFC).

Los principales cambios en los diferentes componentes que repercuten en el costo de una unidad nueva de aire acondicionado en comparación con una unidad de R410A son: 1. Aumento en el tamaño y el costo del compresor. 2. El ahorro de energía, con un aumento de eficiencia del 10 por ciento. 3. Menor costo de refrigerante, ya que el volumen de carga requerida disminuye significativamente. 4. Reducción de más del 25 por ciento en el costo de intercambiadores de calor, ya que su tamaño disminuye significativamente. 5. Aumento en el costo de los componentes eléctricos.

Refrigerante Hidrocarburo Isobutano R-600a El Isobutano (R-600a) ha sido utilizado en el pasado en congeladores. Las características del R-600a son diferentes a las del R-134a utilizado en los refrigeradores domésticos. Algunas de sus características son: 1. El nivel de presión de trabajo es más bajo. 2. Tiene una buena capacidad de enfriamiento aún trabajando con elevadas temperaturas de condensación. 3. Sólo se requiere de un 45 por ciento de carga de gas para igualar la potencia completa de una carga de R-134ª 4. Alta sensibilidad a las desviaciones en la carga. 5. Cargas inadecuadas producen altos consumos de energía.

REFRIGERANTES INDUSTRIALES REFRIGERANTE NATURAL BIÓXIDO DE CARBONO CO2 R-744. El bióxido de carbono (CO2 R-744) es otra de las alternativas para sustituir a los HFC (hidrofluorocarbonos) porque no daña la capa de ozono, su bajo potencial de calentamiento globla y es un refrigerante natural. Es un fluido inodoro, incoloro y más pesado que el aire. Su Potencial de Calentamiento Global (PCG) es de uno. Lo que significa que este gas es la referencia para determinar el PCG de otros gases y su valor de Potencial de Agotamiento de la Capa de Ozono (PAO) es de cero, favoreciéndolo en el aspecto ambiental. Aunque el CO2 es necesario para la vida en la Tierra, es también un Gas de Efecto Invernadero (GEI). Es clasificado por los Estándares 34 de ASHRAE y el DIN EN 378 como tipo A1 (no inflamable y de baja toxicidad). Como se mencionó anteriormente, el hecho de ser más pesado que el aire puede resultar peligroso (especialmente en espacios reducidos), al no tener aroma autoalarmante (no tiene un olor detectable), puede desplazar al oxígeno hasta límites nocivos para la salud.

El refrigerante R-744 (bióxido de Carbono) presenta altas presiones de servicio, una temperatura crítica baja (31 C°) y un punto triple alto. Su capacidad volumétrica de refrigeración es entre 5 y 8 veces mayor que la de los HFC. Cuenta con una temperatura de descarga elevada, por lo que necesita compresión de dos etapas en sistemas de baja temperatura. Cuando se utiliza como refrigerante, el dióxido de carbono normalmente opera a una presión mayor que los hidrofluorocarbonos. El bióxido de carbono se utiliza principalmente en: 1. Refrigeración industrial y comercial: sistemas en cascada NH3/CO2. 2. Sistemas compactos. 3. Bombas de calor (calentamiento de agua). 4. Refrigeración

comercial:

supermercados,

sistemas

directos,

cascada,

indirectos.

AMONIACO (R-717) Es un producto natural que no ataca a la capa de ozono (ODP = 0) y que no contribuye al efecto invernadero (GWP = O). Además, debido a su alta eficiencia, ofrece un índice TEWI mínimo. 1. Tiene propiedades termodinámicas excelentes. 2. Los equipos de refrigeración y climatización con amoníaco son competitivos en precio no sólo considerando el coste inicial, sino además teniendo en cuenta los costes de instalación y operacionales debido a su alta eficiencia energética.

3. Es más ligero que el aire, por tanto se dispersa fácilmente en la atmósfera. La naturaleza misma produce varios miles de veces más amoníaco que toda la actividad humana en el planeta. 4. El amoniaco es biodegradable pues tiene una vida en la atmósfera de entre 7 y 14 días. 5. Las fugas, incluso pequeñas, son fácilmente detectadas por el olfato, debido a su olor penetrante, que es percibido en concentraciones de 5 ppm. Por esa razón, es muy improbable que una fuga pueda durar mucho tiempo sin ser detectada. 6. El amoníaco es el refrigerante más barato.

5.2.3 DIAGRAMAS DE MOLLIER. Diagrama PH o Presión/entalpía El diagrama PH, o diagrama de Mollier para presión entalpía, es la representación gráfica en una carta semilogarítmica en el plano Presión/entalpía de los estados posibles de un compuesto químico -especialmente para los gases refrigerantes- y es en ella donde se trazan y suelen estudiar los distintos sistemas frigoríficos de refrigeración por compresión. Básicamente el diagrama está compuesto por dos ejes principales y tres zonas delimitadas por una curva de saturación.



En el eje de las ordenadas se registra el valor de Presión en (bar) -para diagramas PH en SI-, eje graduado en escala logarítmica.



En el eje de las abscisas se registra el valor de entalpía en unidad de masa en [kJ/kg] ó [kcal/kg].



Una curva de saturación con forma de “U” invertida la cual determina si el compuesto se encuentra en estado de: líquido subenfriado, líquido saturado, mezcla líquido-vapor, vapor saturado o vapor sobrecalentado (color rojo).

A su vez se definen seis tipos de trazas a través de las cuales se describen los ciclos de refrigeración y los estados de agregación de la materia. 

Isobaras: Rectas paralelas que coinciden iguales valores de presión. Estas son perpendiculares al eje de las ordenadas.



Isoentálpicas: Rectas paralelas que coinciden iguales valores de entalpía en masa. Estas son perpendiculares al eje de las abscisas.



Isotermas: que en la zona de líquido subenfriado son paralelas a la ordenada y dentro de la campara de mezcla son paralelas a la abcisa, y en la zona de vapor sobrecalentado descienden en forma curva. Estas trazas –“paralelas” entre sí-coinciden los valores de igual temperatura del sistema, y en las tablas PH en el SI está expresado en grados Celcius (color azul).



Isocoras: Son las curvas que coinciden los puntos con igual volumen específico y también son paralelas entre sí para distintos valores. En el SI

está expresado en [m³/kg]. Se desarrollan en la izquierda de la zona de mezcla líquido-vapor y se extiende hacia la derecha hasta la de vapor sobrecalentado hasta el final del diagrama (color verde). 

Isoentrópicas: Son las curvas que coinciden los valores de igual entropía en el sistema. En el SI se miden en [kJ/kg K] ó [kJ/kg°C]. Paralelas entre sí y de una elevada pendiente (color amarillo).

Nueve curvas de "título de vapor" o "calidad de vapor" que indican el porcentaje en masa de vapor contenido en la mezcla líquido-vapor. Estas curvas, existentes sólo dentro de la campana de mezcla, son coincidentes en su extremo superior mas su extremo inferior se encuentra relativamente equidistante a la adyacente y así sucesivamente. Son nominadas con los valores del 0,1 al 0,9 (color violeta) DIAGRAMA PH Y SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN. Por su parte, cada refrigerante tiene su propio diagrama PH con particularidades que lo hacen más o menos adecuado a cada aplicación frigorífica y propiedades exclusivas como relación temperatura/presión tanto de saturación como en mezcla, efecto refrigerante, temperatura de descarga del compresor en función de la entropía, entre otros. Una de las grandes ventajas del diagrama PH es la facilidad y fiabilidad con que se pueden realizar los cálculos de sistemas frigoríficos y selección de componentes como evaporadores, condensadores, compresores y dispositivos de expansión, tuberías y accesorios, así como trazar todo tipo de sistemas frigoríficos, bien sea de una etapa, compresión múltiple, sistemas en cascada, sistemas con recirculado por bomba y otros.

5.3 INSTALACIONES FRIGORÍFICAS, ELEMENTOS PARA EL DISEÑO DE CUARTOS DE REFRIGERACIÓN Y PREENFRIADO.

Diseño y construcción de cuartos de refrigeración y preenfriado.

Aunque la planeación y construcción de un cuarto frío tiene un costo inicial alto, es más económico que otras estructuras agrícolas. Además, evitando un costo en la construcción, aquellas personas con ligeros conocimientos, pueden diseñar sus propias estrategias de enfriamiento, para las necesidades específicas, e igualmente, asumir su construcción, asegurando su efectividad debida a la correcta elección del mismo, basándose en los parámetros que se describen en el transcurso de este trabajo. Tipos de producto. Los diferentes tipos de frutos, tienen diferentes requerimientos de frío. Si se almacenan o enfrían volúmenes pequeños de producto (con diferentes requerimientos de frío), la temperatura que debemos manejar será la mayor que no cause daño por frío al fruto más susceptible. Esta temperatura, cualquiera que ésta sea, no provee la temperatura óptima de almacenamiento para los otros tipos de frutos. Además de la sensibilidad al etileno, algunos productos generan olores que son rápidamente absorbidos por los otros frutos, como sucede con las manzanas y las cebollas. La mayoría de los problemas de almacenar productos mezclados pueden ser evitados, si se tienen presentes los requerimientos de cada producto. Tamaño de la unidad de refrigeración. La capacidad de enfriamiento y la de almacenamiento dependen del tamaño de la estructura y de la capacidad del sistema de refrigeración, así que es básico determinar la cantidad de producto que se desea enfriar y almacenar. Un sistema de refrigeración puede semejarse a una bomba que mueve calor de una parte a otra. La capacidad de enfriamiento es una medida de la velocidad a la que un sistema puede transferir energía calorífica y es expresada normalmente en toneladas. Una tonelada de refrigeración es la que puede transferir el calor necesario para disolver una tonelada de hielo en un período de 24 horas (288.000 BTU). El tamaño correcto de una unidad de refrigeración es determinada por tres factores, el primero de los cuales es el volumen de producto a ser enfriado y su empaque, ya que muchos productos son vendidos en cajas o bolsas. Obviamente, a mayor cantidad de producto a enfriar, mayor será la unidad de refrigeración.

El segundo factor es el tiempo mínimo requerido de enfriamiento desde el comienzo al final del mismo, para prevenir la degradación rápida del producto. El enfriamiento rápido debe evitarse, ya que puede ocasionar daños en el fruto y se requerirán equipos de altos costos y consumos de energía eléctrica. El tercer factor es la naturaleza del diseño constructivo de la unidad de refrigeración, es decir su tamaño, el sistema de manejo del aire y su operación. Capacidad de almacenamiento. La decisión de enfriar y embarcar el producto inmediatamente o almacenarlo por un tiempo, muchas veces no depende sólo del tipo de producto y de sus condiciones de mercadeo; también depende del aprovechamiento del espacio en la instalación, los cuales serán determinados por el tipo de producto y su desarrollo. Obviamente, productos

altamente

perecederos

requieren

menor

ubicación

espacial

de

almacenamiento que frutos menos perecederos, simplemente porque los primeros no pueden ser almacenados por largos periodos de tiempo sin ocasionar pérdidas en su calidad. De otro lado, un exceso en el dimensionamiento del espacio de almacenamiento ocasionará gastos innecesarios de energía y de dinero. Para determinar la cantidad de espacio refrigerado a construir, se usa la siguiente fórmula Donde: V= Volumen de espacio a refrigerar. C = Número máximo de bushels* a ser enfriado en un tiempo. S = Número máximo de bushels a ser almacenado en un tiempo. Bushel : Medida de cereales y frutas. Equivale a 36.36 litros en Gran Bretaña y a 35.24 litros en Estados Unidos. Después que se ha determinado el valor numérico de V, se divide por la altura del techo (en pies), para obtener el área a enfriar en pies cuadrados. Debemos recordar que el techo debe tener mínimo 18 pulgadas más, que la altura de apilamiento de los productos que se van a enfriar. Para frutos empacados en bultos, el volumen debe convertirse a bushels antes de aplicar la ecuación anterior. Empaques del producto.

La industria de productos frescos presenta toda una gama de empaques y contenedores tales como cajas de fibra, cajas de cartón, bolsas, canastas y bandejas, algunas de las cuales mencionaremos más adelante. Los tipos de empaques que sean seleccionados deben ser estándar para el mercado, ya que los productos empacados en “cajas gasolineras”, en “guacales” o en otros tipos de recipientes, no logran un volumen típico. Este tipo de empaques, como los que se resaltan en el óvalo a la derecha de la figura, son muy frecuentes en Colombia y hasta la actualidad no se han suprimido del mercado. Sin embargo, algunas empresas exigen a sus proveedores, el manejo de frutas y vegetales en cajas de un plástico muy resistente, que fueran diseñadas hace unos 13 años y que cumplan con los requerimientos de un buen empaque. No obstante, vemos con preocupación, que debido a la "costumbre", al llegar a la zona de mercadeo primaria (comúnmente la plaza de mercado más próxima a la zona de recolección, donde se comercializan volúmenes importantes) y para ser transportado a los centros de consumo, estos productos se retiran de estas cajas, se seleccionan y se reempacan en cajas gasolineras o guacales, ocasionando daños mecánicos adicionales en el producto, tales como magulladuras y cortes en la superficie del producto. Ubicación y disposición de la instalación. La ubicación de la estructura para el enfriamiento refleja su función primaria. Si se planea llevar el producto fresco directamente al consumidor, la estructura debe estar cerca la carretera, ya que un cuarto y una sede administrativa que no se vea puede tener

problemas

obvios

de

mercadeo.

Debe,

además

tener

sitios

de

estacionamiento para compradores y empleados, de ser necesario. Ya que la función primaria de la instalación de enfriamiento es precisamente enfriar y reunir lotes de ventas al por mayor, la facilidad de acceso al público no es menos importante. En ese caso, la mejor ubicación del cuarto frío, puede ser adyacente a la zona de selección y empacado. Todas estas estructuras, junto con los cuartos fríos deben estar convenientemente cercanos al cultivo, con el fin de disminuir el tiempo que transcurra desde el momento de la cosecha hasta el enfriamiento. Conociendo como se va a usar, la estructura requiere instalaciones eléctricas e hidráulicas y para grandes cuartos fríos, que generalmente requieren más de 10

toneladas de refrigeración en una sola unidad, debe disponerse de instalaciones trifásicas. Diseño y construcción. Existen ciertos límites para apilar los contenedores. El máximo peso varía según el producto y el tipo de empaque, pero no debe exceder un nivel de seguridad que pueda causar daño al producto o derrumbes. Para brindar una buena circulación de aire, el producto nunca debe estar a menos de 18 pulgadas (aproximadamente unos 45 cm) del cielo raso. Aun cuando en el diseño inicial, no se pretenda trabajar con aire forzado, debe dejarse suficiente espacio para montarlo adecuadamente en un futuro. Si el volumen del producto es suficiente y justifica el uso de montacargas eléctrico (En la operación de productos agrícolas almacenados se recomienda el uso de montacargas eléctricos, debido a que estos no presentan emisiones de gases (entre ellos dióxido de carbono), que puedan afectar de alguna manera la actividad respiratoria del producto), las dimensiones para giros y para tráfico de los mismos deben ser consideradas en el dimensionamiento de la estructura. Las puertas y los corredores, no deben ser menores de una y media vez el ancho del montacargas. Las rampas de acceso a la estructura deben tener pendientes de entre 1 y 5%. La construcción de una estructura de almacenamiento y enfriamiento es una inversión tácita en el mantenimiento de la calidad del mismo, por lo tanto los materiales y los trabajadores a emplear deben ser de la mejor calidad posible. Cimientos y piso. La mayoría de las instalaciones para enfriamiento son construidas, en bloques de concreto con refuerzos en su perímetro para soportar las cargas producidas por las paredes. Debe asegurarse un buen drenaje en la estructura, por lo que generalmente se construye sobre un lecho de gravas. Además, debemos considerar que el piso debe soportar grandes cargas y resistir el uso pesado en un ambiente húmedo, por esto dependen en buena medida del uso de aislantes de calidad. Los bloques de cimentación deben ser de al menos 4 pulgadas de concreto reforzado con malla de alambre y con aislante de 2 pulgadas de espuma plástica a prueba de agua en la superficie.

Aislamiento. La energía térmica siempre fluye desde los objetos cálidos a los fríos. Todos los materiales, hasta los buenos conductores como los metales, ofrecen alguna resistencia al paso de energía y muchos materiales pueden ser empleados como aislantes con buenos efectos, pero ya que la selección del aislante adecuado es una de las características que, desde el punto de vista constructivo deben tomarse, es importante que el material no sea muy costoso, pero si, que sea eficiente para esta labor. Las características de estos materiales varían considerablemente y su eficiencia para la conducción debe ser más importante en la elección que su precio. Algunas características importantes a mencionar son el valor de resistencia R, su costo y su comportamiento en presencia de humedad. Valor R. Una medida de la resistencia que el aislante ofrece al movimiento de calor se denomina factor de resistencia o valor R, el cual está asociado con su ancho. Cuanto mayor sea este valor, mayor será la resistencia y mejor serán las propiedades de este material como aislante. El valor R generalmente se expresa en pulgadas de ancho o en términos del ancho total del material. La resistencia total al flujo de calor en cualquier pared con aislantes, es simplemente, la suma de las resistencias totales de los componentes individuales, es decir la suma de las resistencias de los componentes individuales, es decir la suma de las resistencias de los aislantes, de los pegantes. Costo. Los costos de los aislantes varían según el tipo. En Estados Unidos, por ejemplo, actualmente se especifican costos en pies por pulgada de ancho o en costo por unidad térmica de resistencia (R). Además reducen ligeramente los costos, ya que se reducen las labores constructivas y los costos de otros materiales, porque no se requieren adiciones en las partes internas de los paneles de las paredes. Debe tenerse en cuenta que ciertos tipos de espumas aislantes pueden presentar alto riesgo de incendios, por lo cual deben ser manejadas con cuidado. Efectos de la humedad.

En muchos tipos de aislantes, el flujo de energía calorífica es impedido por pequeñas celdas que hacen la función de trampas de aire en todo el material. Cuando este absorbe humedad, el aire es reemplazado por agua y el valor de aislamiento disminuye. Es por esta razón que el aislante debe ser almacenado en lugares secos. Con excepción de muchas espumas plásticas, que son a prueba de agua, todos los materiales aislantes deben ser usados junto con una adecuada barrera contra el vapor. Generalmente se instalan películas de 4 milímetros de polietileno en el lado interior del aislante (por fuera), contrario a lo que se recomienda en los códigos para construcciones de casas. Esta práctica previene la condensación en el aislante. Puertas y otros dispositivos. Las puertas son la parte más crítica de un cuarto frío. Puertas mal construidas o en mal estado ocasionan grandes pérdidas de energía. Estas deben tener mucho más material aislante que las paredes y deben poseer bandas plásticas para reducir la posible filtración de aire caliente a la estructura. Los seguros de las puertas deben proveer buen sellamiento, el cual puede ser chequeados insertando una delgada tira de papel (entre la puerta y el área sellada) y cerrando la puerta. El sello es aceptable solo si se siente una resistencia fuerte al tratar de retirar esa tira. Cabe notar que una puerta deslizante es mucho más fácilmente aislable que dos puertas tradicionales. 5.4 CÁLCULO DEL TIEMPO DE CONGELACIÓN Y DESCONGELACIÓN DE LOS ALIMENTOS. Cálculo de la carga de calor. La temperatura óptima de almacenamiento debe ser continuamente mantenida para obtener todos los beneficios que brinda el cuarto frío. La carga total de calor que el sistema puede remover en el cuarto frío se denomina carga de calor. Las entradas de calor provienen de los siguientes campos: 

Calor de conducción: Calor que entra por las paredes techo y piso aislados.



Calor de campo: Calor extraído del producto para ser llevado a la temperatura de almacenamiento.



Calor de respiración: Calor generado por el producto, que es el resultado de las reacciones naturales del mismo.



Carga de servicio: También llamada carga mixta; es el calor producido por las luces, el equipo, los trabajadores y por el aire caliente y húmedo que entra cuando se realiza la apertura de puertas.

Los alimentos no tienen el punto de congelación característico que está asociado con los materiales puros. Una definición de tiempo de congelación requiere una definición del punto de congelación. 

Experiencias de transferencia de calor.



Fórmulas semiteóricas.

Cálculo de tiempos de congelación y descongelación de una placa plana infinita Para realizar éste, diversos autores han desarrollado ecuaciones de predicción empírica para geometrías simples unidimensionales. (difusividad térmica “α0” en m2/s, y conductividad térmica, “k0” en W/(m * °C)).

Siendo: tc,pp= Tiempo de congelación de placa plana infinita. td,pp= Tiempo de descongelación de placa plana infinita. L = Longitud característica: semiespesor (m). Tc= Temperatura final del centro térmico (°C).

Bi = Número de Biot definido como (h*L)/k0. h = Coeficiente de transferencia calorífica (W/(m2 * °C)). Ti= temperatura inicial (°C). Ta= Temperatura del medio calefactor (descongelación) o del refrigerante (congelación) (°C). Cálculo de los factores de forma tc,pp= f1(Ta, Ti, Tc, L) * ((C1/Bi) + C2) td,pp= f2(Ta, Ti, Tc, L) * ((C3/Bi) + C4) La expresión general de la ecuación corregida quedaría: tc=V** f1(Ta, Ti, Tc, L) * ((C1/Bi) + C2* A*) td=V** f2(Ta, Ti, Tc, L) * ((C3/Bi) + C4* A*) Donde “tc” y “td” son los tiempos de congelación y descongelación respectivamente.

5.5 DISEÑO Y SELECCIÓN DE EQUIPOS DE EXTRACCIÓN DE CALOR.

MEDIDA DEL SISTEMA DE EXTRACCIÓN. Los sistemas de refrigeración son clasificados por la cantidad de calor que mueven o desplazan en una longitud determinada de tiempo, siendo la unidad estándar de clasificación, la tonelada, la cual es igual a 288.000 Btu en 24 horas, es decir 12.000 Btu por hora. La capacidad requerida para mantener una temperatura específica aumenta sí: 

El sistema de refrigeración es usado solo parte del día.



Se almacena más de la cantidad inicial de fruta por día.



El edificio fuera más grande.



La fruta ingresara con temperaturas superiores a las planteadas inicialmente.



La temperatura exterior fuera mayor a la planteada.

Reducción de la carga de extracción de calor. Una vez que el calor de campo se ha retirado del producto, se requiere mucha menos capacidad de refrigeración para que se mantenga la temperatura de almacenamiento. Por lo tanto, cualquier cosa que puede hacerse para rebajar la temperatura que se presenta en el campo, reducirá significativamente la carga inicial de calor, reduciendo así el costo del equipo de refrigeración requerido y la energía eléctrica con la cual se operan dichos equipos. Cosechando muy temprano o muy

tarde en el día o incluso en la noche, podemos ayudar a reducir el costo de refrigeración. Factores a considerar en una instalación de enfriamiento. Limpieza y Mantenimiento. Es esencial que los recipientes de manejo y los cuartos de almacenamiento estén limpios y libres de microorganismos. Todas las acumulaciones del agua de condensación deben evacuarse de la estructura. Debe limpiarse completamente todos los cuartos de almacenamiento antes de llenarlos. Si los recipientes de carga se mantienen dentro del cuarto, debe desinfectarse las superficies con una solución de hipoclorito de sodio al 0.25%. Controles de Temperatura. La temperatura más importante a controlar en una instalación de enfriamiento, es la del producto, no la del aire. Medir la temperatura del aire no nos brindará valores correctos de la temperatura de producto, porque el calor de respiración siempre eleva la temperatura del producto y del aire circundante. Ubicación adecuada de los ventiladores. El movimiento de aire en el interior del cuarto frío, ayuda conducir el calor lejos del producto. Los recipientes deben diseñarse y acomodarse para permitir la suficiente circulación de aire, mejorando el valor del enfriamiento y almacenando el producto a la temperatura óptima. Calor de conducción. Es el calor debido a todas las paredes, el techo y el piso. La cantidad de calor que transmiten estas superficies es función de su resistencia térmica (Valor de R), de su área y de la diferencia de temperatura entre un lado y el otro. Referencias. 

Gildardo Yañez (2015) especialista en refrigeracio. Recuperado de: https://www.gildardoyanez.com/refrigerantes/hcfc/



Manual Buenas Prácticas en el Uso de Sustancias Alternativas a los Hidroclorofluorocarbonos



Refrigerantes Sintéticos de Bajo Potencial de Calentamiento Globlal:



Buenas

Prácticas

en

el

Uso

de

Sustancias

Alternativas

a

los

Hidroclorofluorocarbonos. SEMARNAT. 

New NIST Screening Method Identifies 1,200 Candidate Refrigerants to Combat Global Warming



AHRI Low-GWP Alternative Refrigerants Evaluation Program Refrigerantes Naturales:Estudios de Refrigerantes Naturales.

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Slavin(1964).http://www.angelfire.com/ia2/ingenieriaagricola/cuartos.htm

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Ainia

(2015)

esterilizadores.

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Elii. (13 abril 2015). Definición Tratamientos Termicos. Chrome. VBOOK.PUB Recuperado

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