PRESUPUESTOS REFRIGERACION CALCULOS ......dispositivo que sea, puede haber ventilador (evaporador de...

25/11/2014

1

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.

25/11/2014

2

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)


25/11/2014

3

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.


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


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.


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

25/11/2014

4

PARTES DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN

Zona del evaporador

Zona del condensador


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.


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.


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.


Elementos anexos:

25/11/2014

5

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.


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.


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

25/11/2014

6

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).


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


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.

25/11/2014

7

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


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


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

25/11/2014

8

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


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!

[email protected]

25/11/2014

9

Información de contacto

Sitio web: http://www.upct.es/gpostref

Facebook: http://facebook.com/grupo.postrecoleccionrefrigeracion

PRESUPUESTOS REFRIGERACION CALCULOS ......dispositivo que sea, puede haber ventilador (evaporador de...

Documents

Transcript of PRESUPUESTOS REFRIGERACION CALCULOS ......dispositivo que sea, puede haber ventilador (evaporador de...