BALANCE TERMICO DE UNA INSTALACION FRIGORIFICA 1. INTR INTROD ODUC UCCI CIÓN ÓN.. El cálculo de las necesidades frigoríficas de una o varias cámaras es una operación rutin rutinari aria a y que que result resulta a repet repetiti itiva va,, pues puesto to que que siempr siempre e inter intervie viene nen n las mismas mismas consideraciones de datos y evaluaciones básicas. Los cálculos detallados de las cargas térmicas y de las necesidades de frío comportan frecuentemente la necesidad de utilización de tablas que permiten simplificar y obtener de un modo casi directo las estimaciones pertinentes. Por otro lado, ay que tener en cuenta las necesidades de efectuar el desescarce de los evaporadores y es por este motivo que la potencia frigorífica de la máquina deberá ser determinada para una duración de funcionamiento que no será en todo caso de !" oras por día, sino siempre menor. #sí pues, es práctica abitual para las cámaras frías utilizadas en refrigeración refrigeración con temperat temperaturas uras de funcion funcionamie amiento nto superiores superiores a $%& estimar estimar la duración duración oraria oraria del grupo frigorífico en '( oras por día, lo cual supone un tiempo de ) oras diarias, suficientemente amplio para proceder al desescarce del evaporador, por el método que sea, siendo el más rentable el que no requiere aporte de energía calorífica, calorífica, como resulta evidente. Para Para las las cámar cámaras as frías frías a tempe temperat ratura ura nega negativ tiva, a, es decir decir,, por por deba deba*o *o de $%&, $%&, la duración del funcionamiento funcionamiento del equipo frigorífico suele estimarse en ') oras diarias, siendo el resto de oras diarias para el desescarce con aporte suplementario de energía, si ace falta.
2. CRIT CRITER ERIO IOS S GENE GENERA RALE LES. S. Para mantener fría una cámara y todo lo que contiene, es necesario e+traer el calor inicial y después el que pueda ir entrando en la cámara, por bien aislada que esté. El requerimiento total de refrigeración puede establecerse como - / -P0123&14 5 -10#4 63E7E4
3. CALCULO CALCULOS S PARA CÁMARA CÁMARAS S DE CONSERV CONSERVAC ACIÓN IÓN (REFRIGERA (REFRIGERACIÓN CIÓN). ). 3.1. CARGA TOTAL DE REFRIGERACIÓN. La carga total de una instalación frigorífica es el n8mero de frigorías que deben obtenerse, o dico de manera más correcta, la cantidad de calorías que deben e+traerse a fin de mantener la temperatura deseada en la cámara, nevera o recinto a enfriar. 2ica cifra procede procede del total de calor calor que entra en el espacio espacio a refrigerar por el el con*unto de las causas siguientes
• • • • • • • •
Perdida a través de las paredes. #ire e+terior. &alor liberado por iluminación. &alor liberado por las personas. &alor liberado por motores. Pérdidas por la carga de género que entran a diario. Pérdida por reacción y renovación de aire en frutas y verduras. &alor del embala*e.
3.2. PÉRDIDA A TRAVES DE LAS PAREDES. La cantidad de calor por pérdidas a través de las paredes depende de tres factores • • •
4uperficie total e+terior del recinto. #islamiento empleado. 2iferencia de temperaturas entre la temperatura que ay en el e+terior y la temperatura que se quiere obtener en el interior.
&omo es natural, cuanto mayor sea la superficie total e+terior, mayor será la cantidad de calor que deberá e+traerse. &uanto me*or sea el aislamiento y mayor espesor, menores serán las pérdidas a través del mismo. 1tro factor importante es que cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas entre el e+terior y el interior, mayor cantidad de calor abrá que e+traer. El primer paso para obtener las perdidas por paredes consiste en determinar la superficie total de la cámara o nevera. Para obtener dica superficie puede emplearse la siguiente fórmula.
4iendo a / #nco e+terior. b / 6ondo e+terior. c / #ltura e+terior. &onocido ya este dato, y determinado el espesor del aislamiento con que se efectuará el recubrimiento de la cámara, mueble o depósito, se buscará entonces el coeficiente de transmisión correspondiente a dico aislamiento, en relación con la tabla siguiente &oeficiente 9:; de transmisión de los materiales aislantes más usados.
Estos coeficientes varían en relación con la temperatura y grado de compresión de cada sustancia. &uando se tenga que realizar un cálculo ay que pedir las características técnicas del material al fabricante. 4e pasará entonces a establecer la diferencia de temperatura entre el ambiente e+terior y el interior de la cámara. Para la primera debe calcularse siempre la temperatura media en la época más calurosa, y en cuanto a la que debe mantenerse en el interior depende naturalmente de la naturaleza del producto que debe almacenarse, para ello, ay que tener en cuenta las temperaturas recomendables que se detallan en las tablas. #sí pues, conocidos los factores representados por 4 / 4uperficie e+terior de la cámara en m ! : / &oeficiente de transmisión del aislante. 9e < i; / 2iferencia de temperatura. Por lo tanto se obtendrá el calor equivalente a las pérdidas a través de las paredes.
El resultado son vatios perdidos en !" oras.
3.3. AIRE EXTERIOR (RENOVACIONES DE AIRE). La aireación de la cámara es necesaria, esta ventilación se produce por la frecuencia de aperturas de las puertas para la entrada y salida de género de la misma, pero a veces esto no es suficiente, así que se debería dotar a las cámaras de sistemas de ventilación forzada complementarios. El n8mero de renovaciones puede establecerse por ora o por día, para ello podemos utilizar la siguiente fórmula.
4iendo Q A / Potencia calorífica aportada por el aire.
= / =olumen de la cámara en metros c8bicos 9m >;. ? / &alor del aire en 9@calAm>; obtenido por diagrama psicométrico o por tablas. n / 78mero de renovaciones de aire por día.
&alor del aire en 9BAm >;
3.4. CALOR LIBERADO POR ILUMINACION. 2entro de las cámaras e+iste iluminación, ya sean mediante lámparas incandescentes, fluorescentes, etc. El calor que liberan puede e+presarse por
4iendo P / Potencia total de todas las lámparas en vatios. t / 2uración o tiempo de funcionamiento de las mismas. -ilum / Potencia calorífica aportada por la iluminación en B. 4i las lámparas son fluorescentes ay que multiplicar la potencia de las lámparas por ',!C por ser el factor considerado debido a las reactancias.
4i no se conoce la potencia de las lámparas se puede realizar valor estimativo considerando entre C y 'C B por metro cuadrado de superficie de planta de la cámara.
3.5. CALOR LIBERADO POR LAS PERSONAS. ambién las personas que entran en una cámara liberan calor a razón de
4iendo -pers / Potencia calorífica aportada por las personas. q / &alor por persona en B seg8n tabla que se ad*unta. n / 78mero de personas en la cámara. t / iempo de permanencia en orasAdía. El tiempo de permanencia variará seg8n el traba*o que deban efectuar las personas en el interior de la cámara. Deneralmente se eval8a entre $,C y C oras día.
3.. CALOR LIBERADO POR MOTORES. En el interior de una cámara frigorífica e+isten aportaciones de calor debido al funcionamiento de los ventiladores de los evaporadores, así como la e+istencia de máquinas que realicen traba*os dentro de la cámara, este calor lo podemos calcular mediante la siguiente e+presión
4iendo P / Potencia de cada motor. t / iempo de funcionamiento de motor en ora. $,! / 6actor de conversión de la energía eléctrica en calorífica. -mot / Potencia calorífica aportada por los motores.
3.!. AGRUPAMIENTO DE LOS CALORES POR AIRE EXTERIOR O VENTILACIÓN" ILUMINACIÓN" PERSONAS # MOTORES. La cantidad de calor que entra en la cámara o recinto por este concepto depende del n8mero de veces que se abran las puertas, dato que a su vez, está afectado por el uso que se aga de la cámara. #unque se trata de un dato difícil de determinar de manera e+acta, la práctica a establecido unos porcenta*es de pérdidas por abertura de puertas, alumbrado, calor del personal, etc., que sirven perfectamente y que dan una idea muy apro+imada de dico valor. 2icos porcenta*es se calculan sobre la cantidad de frigoriasA!" oras por pérdida de paredes que previamente se abrá obtenido, y son como sigue •
• •
En grandes cámaras de conservación, generalmente provistas de antecámara '$ &ámaras para detallistas !C &ámaras para restaurantes, bares, pastelerías, etc. "$
&onsideraremos que una cámara es grande a partir de 'C$ m >.
3.$. PERDIDA POR LA CARGA DE GENERO %UE ENTRA A DIARIO (PRODUCTO %UE ENTRA EN LA CAMARA). La carga calorífica por la introducción del producto para conservar en el interior de una cámara es muy variada dependiendo del uso a que se destine la cámara, los podemos dividir en los siguientes apartados. • • •
0efrigeración de alimentos. &alor de respiración de alimentos. &alor del embala*e.
Para obtener dicos valores, deben conocerse los factores siguientes • • •
&antidad de @g de género que entran diariamente en la cámara. 2iferencia de temperatura a su entrada y la que debe obtenerse en el interior. &alores específicos de los productos a conservar.
La entrada diaria de género es un dato de muca importancia y debe precisarse de la manera más apro+imada posible, siendo preferible, en todo caso, pecar por e+ceso que por defecto, y que por consiguiente sirva para dar una idea errónea de las pérdidas que por este concepto correspondan. En las instalaciones de bares donde e+ista refrigeración de líquidos deberá tomarse como base la cantidad de líquido que se consuma en el n8mero de oras de mayor despaco, en lugar de fi*ar un total de las !" oras del día. #sí también, en otras industrias donde la producción o carga de género se aga durante un determinado n8mero de oras de traba*o, este total de oras es el que deberá ser considerado para obtener el promedio de pérdidas por carga.
&onocida la entrada del género, se obtendrá la diferencia con el interior tomando este 8ltimo dato de la tabla, donde se detallan las temperaturas de conservación recomendables para cada producto determinado. ambién se necesitará como dato el otro factor restante que es el calor específico del producto a conservar. &uando las condiciones de conservación del producto precisen temperaturas superiores a las de congelación, la carga calorífica de refrigeración e+presada en B la obtendremos a partir de la siguiente e+presión.
2ónde
-& / &alor debido a la carga de género. :ilos / :ilos de producto. 9e F i; / 2iferencia de temperatura del género a la entrada y a la interior. &e / &alor específico del producto sobre por encima de los $ %&.
3.&. PERDIDA POR REACCION # RENOVACION DE AIRE EN FRUTAS # VERDURAS. En la conservación de frutas y verduras debe recordarse se trata de materias vivas, las cuales se allan, por consiguiente, su*etas a cambios durante su almacenamiento. Estos cambios son debidos a la respiración, o proceso en que el o+ígeno del aire se combina con el carbono de los te*idos del fruto. 2urante dico proceso se desprende energía en forma de calor, que también forma parte de las pérdidas calculadas por la carga de género y debe tenerse necesariamente en cuenta para el cálculo total.
4iendo -6= / &alor obtenido por la respiración de frutas y verduras. &res / &alor de respiración del producto. m / Gasa de producto en @g.
3.1'.
CALOR DEL EMBALAE.
En las mercancías embaladas, no debe despreciarse el calor generado por el envoltorio del producto. El calor debido al embala*e en B puede obtenerse mediante
4iendo
-emb / &alor obtenido por el embala*e. cemb / &alor específico del material de embala*e sobre $ %&. m / Gasa del embala*e en @g. E / emperatura de entrada del embala*e. i / emperatura interior o final del género en %&. Este calor del embala*e se puede obtener de tablas, aunque se puede estimar que el calor por embala*e puede ser un '$ del calor por pérdida de carga de género en grandes cámaras, y un !$ en cámaras pequeHas.
3.11.
OBTENCIÓN DE LA CARGA TOTAL.
Para ello se sumarán todos los factores que intervengan, obtenidos a partir de las fórmulas anteriormente citadas. - / Perdida por paredes 5 Perdidas por #ire e+terior 5 &alor iluminación 5 &alor personas 5 &alor por motores 5 &alor por carga de género 5 &alor del embala*e. 4i se trata de frutas y verduras, además ay que aHadir la perdida por reacción y renovación de aire en frutas y verduras. - / Perdida por paredes 5 Perdidas por #ire e+terior 5 &alor iluminación 5 &alor personas 5 &alor por motores 5 &alor por carga de género 5 &alor por reacción y renovación en frutas y verduras 5 &alor del embala*e. &on esto se obtendrán las frigorías totales que deben obtenerse en !" oras. &omo quiera que el rendimiento o capacidad de las unidades condensadoras se calculará generalmente a base de un traba*o má+imo de '( oras diarias en la época de más calor, a fin de asegurar un buen ciclo de desescarce en el evaporador. Por lo tanto bastará dividir la cifra total obtenida por '( y tendremos las frigoríasAora.
4. CALCULOS PARA CÁMARAS DE CONSERVACIÓN DE CONGELADOS. En esta clase de instalaciones, en que el género entra ya congelado, no es necesario prever pérdidas de carga por congelación, bastando 8nicamente tener en cuenta las pérdidas que corresponden a toda posible recuperación del género por no entrar éste a la temperatura e+istente en la cámara. Los cálculos a realizar son los mismos que en las cámaras de conservación 9refrigeración; que a continuación se detallan • • • • •
Perdida a través de las paredes. #ire e+terior. &alor liberado por iluminación. &alor liberado por las personas. &alor liberado por motores.
•
&alor del embala*e.
E+cepto en la carga de género que se calculará de la siguiente manera
4.1. PERDIDA POR LA CARGA DE GENERO %UE ENTRA A DIARIO (PRODUCTO %UE ENTRA EN LA CAMARA). La entrada diaria de género es un dato de muca importancia y debe precisarse de la manera más apro+imada posible, siendo preferible, en todo caso, pecar por e+ceso que por defecto, y que por consiguiente sirva para dar una idea errónea de las pérdidas que por este concepto correspondan. Para calcular la pérdida por carga de producto congelado se obtendrá aplicando la siguiente e+presión
4iendo -c.cong / &alor de conservación de congelados. &econg / &alor específico del producto ba*o cero. e / emperatura de entrada del producto. ti / emperatura interior de la cámara.
4.2. OBTENCIÓN DE LA CARGA TOTAL. Para ello se sumarán todos los factores que intervengan, obtenidos a partir de las fórmulas anteriormente citadas. - / Perdida por paredes 5 Perdidas por #ire e+terior 5 &alor iluminación 5 &alor personas 5 &alor por motores 5 &alor por carga de género 5 &alor del embala*e. &on esto se obtendrán las frigorías totales que deben obtenerse en !" oras. &omo quiera que el rendimiento o capacidad de las unidades condensadoras se calculará generalmente a base de un traba*o má+imo de '( oras diarias en la época de más calor, a fin de asegurar un buen ciclo de desescarce en el evaporador. Por lo tanto bastará dividir la cifra total obtenida por '( y tendremos las frigoríasAora.
5. CAMARAS" TNELES DE CONGELACION. &uando ya no se trata de la simple conservación de género en tiempo limitado, sino que se requiere la congelación del producto para su almacenamiento durante largos espacios de tiempo, es cuando se utilizan las cámaras de congelación. Estas cámaras también llamadas abatidores de temperatura o t8neles de congelación, sirven para congelar el producto una vez tratado. Estas cámaras, se an de calcular seg8n necesidades, ya que depende del producto a congelar, este tendrá que
congelarse en un determinado tiempo, por eso, una vez congelados se pasan a las cámaras de conservación de congelados, que son las que emos visto anteriormente. Los pasos para calcular la cámara son los mismos a e+cepción de la carga de género. Los pasos comunes son los siguientes • • • • • •
Perdida a través de las paredes. #ire e+terior. &alor liberado por iluminación. &alor liberado por las personas. &alor liberado por motores. &alor del embala*e.
Estos cálculos se an realizado para !" oras que tiene un día, pero en las cámaras de congelados, tendremos que variar la duración adecuándola a las necesidades que tengamos como puede ser que queremos congelar el producto en " oras.
5.1. PERDIDA POR CARGA DE PRODUCTO. Ian de tenerse en cuenta los siguientes factores para el cálculo de pérdida de calor por carga de productos. • • • •
&alor específico del género sobre cero. &alor específico del género ba*o cero. &alor latente de congelación. emperatura de congelación.
El cálculo se realiza de la siguiente manera 4e calculan las pérdidas por enfriamiento asta $%&, usando la siguiente fórmula.
4iendo -J$%& / &alor por encima de $ %&. / emperatura del producto a la entrada del recinto. &e / &alor específico del producto sobre $ %&. 4e calcula entonces el calor latente por congelación, con la siguiente fórmula
4iendo -L / &alor latente del producto. &lcong / &alor latente de congelación del producto.
6inalmente se obtiene las pérdidas por congelación, aplicando la siguiente fórmula
4iendo -cong / &alor de congelación. &eK$%& / &alor específico del producto por deba*o de $%&. / emperatura a la que se quiere congelar el producto. Los tres productos se suman, y se obtendrá el factor total de pérdidas por carga de género en la cámara. #sí pues para el cálculo de las cámaras de congelación tendremos que aplicar las siguientes fórmulas
5.2. CALOR TOTAL. 3na vez realizados todos los cálculos se realiza la suma de todas las cargas, obteniéndose el calor a evacuar, luego tenemos que dividir la potencia calorífica obtenida total en las oras que queremos obtener el producto congelado para almacenar realizando la siguiente operación.
4iendo Pmaquina / Potencia que nos tiene que dar la maquinaria frigorificaen BA. -totalcongelación /&alor total para la congelación del producto en B. congelación / iempo en que queremos que se realice la congelación.
. FORMULAS %UE SE UTILI*AN PARA LA REALI*ACIÓN DEL BALANCE TÉRMICO. P+,--/ / 0,/ -+ / /,+-+6
C/7, 8+,/-7 7, ,+97/:79+ -+ /,+6
C/7, 8+,/-7 7, ;<9/:=96
C/7, 8+,/-7 7, / +,79/6
C/7, 8+,/-7 7, <707,+.
C/7, -+ +<8//>+.
C/7, 7, :/,?/ -+ ,7-;:07. <
&ámaras de conservación de frescos
<
&ámaras de conservación de producto congelado
<
&ámaras o t8neles de congelación
!. CALORES ESPEC@FICOS" TEMPERATURAS DE CONSERVACIÓN # CONGELACIÓN DE DIFERENTES PRODUCTOS. CALORES ESPECIFICOS PARA CONSERVACION.
CALORES ESPECIFICOS PARA CONSERVACION DE CONGELADOS.
DENSIDAD DE CARGA DE PRODUCTOS EN GENERAL
