1.1 Definició

Les cambres frigorífiques industrials són recintes refrigerats per cicles de compressió de vapor, la baixa temperatura de les quals es manté gràcies al revestiment amb materials aïllants.

El gruix de l'aïllant depèn de factors com ara la diferència de temperatures exterior i interior, o el flux màxim de calor permès.

1.2 Aplicacions industrials

Les cambres frigorífiques tenen una aplicació important en diverses indústries, entre les quals destaquen:

• Indústria farmacèutica: Molts dels compostos utilitzats en aquest sector s'han de conservar i emmagatzemar en condicions estrictes i estables de baixa temperatura
• Indústria alimentària: El seu ús és molt estès i té una importància especial en els subsectors carni, pesquer, lacti i conserver.
• Altres àmbits: com poden ser els laboratoris d'investigació biotecnològica.

2.1 Calor sensible i calor latent

Calor sensible és la calor que s'empra per modificar la temperatura d'un cos, en aquest cas aigua o fluid tèrmic. Està relacionada amb la calor específica, que en el cas de l'aigua líquida es d’1 kcal//kg ºC.

Calor latent és la calor emprada per produir un canvi d'estat en un cos, com és ara la vaporització de l'aigua, la calor latent de la qual és de 540 kcal//kg (a 100 ºC).

2.2 Cicle de compressió mecànica de vapor

El cicle de compressió de vapor permet transferir calor des d'un focus fred a un de calent mitjançant l'ús de treball mecànic de compressió.

Es divideix en 4 fases:

1. Compressió de vapor sobreescalfat
2. Condensació del vapor
3. Expansió del líquid fins a un cert subrefredament
4. Evaporació i sobreescalfament del líquid subrefredat

2.3 Rendiment del cicle de refrigeració per absorció

És la mesura de l'eficiència en la transformació de l'energia elèctrica (subministrada al compressor) en capacitat refrigerant de la màquina (o d'extracció de calor de l'evaporador).

S'anomena COP, coeficient d'operació, i s'obté mitjançant la relació:

Els aspectes fonamentals que influeixen en el valor d'aquest paràmetre són:

Pèrdues de calor en el compressor: redueixen el COP.

Caigudes de pressió en el sistema: redueixen el COP.

Temperatures en el condensador i l'evaporador: com menys diferència entre elles, menor és el COP.

Existència o no d’intercanviadors de calor entre el líquid a la sortida de la vàlvula d'expansió i el vapor que surt de l'evaporador. La diferència de temperatures després de l'intercanvi no és gran (2º C o 3º C) però redueix sensiblement el treball de compressió i, per tant, augmenta el COP.

2.4 Materials aïllants

Els materials aïllants deuen el seu efecte a l'oclusió de bombolles de gas en repòs, amb una conductivitat tèrmica molt baixa.

Han de tenir la menor tendència possible a l'absorció d'aigua (higroscopicitat) per evitar condensacions, però tot i així s'han de protegir del vapor d'aigua ja que, en condensar-se, aquest redueix la capacitat aïllant del material i pot, fins i tot, trencar l'estructura en congelar-se.

Altres característiques importants d'un bon material aïllant són:

• No es podreix
• No el poden atacar els rosegadors
• És inodor i no s'hi fixen les olors
• És incombustible
• És químicament neutre enfront d'altres materials emprats per construir la cambra i enfront de fluids amb què hagi d'estar en contacte
• És plàstic, amb capacitat d'adaptar-se a les deformacions de l'estructura de la cambra
• És fàcil de col·locar
• És resistent a la compressió i la tracció

Els tipus d'aïllants més utilitzats a les cambres frigorífiques són:

Actualment, el suro no es fa servir per a cambres frigorífiques, però hi ha nombroses cambres antigues que el tenen com a aïllant.

Els aïllants orgànics com el poliuretà o el poliestirè són els més aptes per a l'aïllament frigorífic.

3.1 Compressor

La seva funció és augmentar la pressió del refrigerant en estat de vapor i impulsar-lo des de l'evaporador al condensador.

3.2 Condensador

Extrau la calor del fluid refrigerant en estat de vapor fins a dur-lo a l’estat de líquid saturat. Aquesta calor es transfereix a un altre fluid que pot ser aire o aigua (aquesta pot absorbir una calor latent de vaporització de 600 kcal/kg, per la qual cosa la seva capacitat és molt més gran que la de l'aire.

3.3 Evaporador

En aquest component, el fluid refrigerant extrau calor de la cambra frigorífica, absorbint calor sensible i calor latent de vaporització fins a arribar a l'estat de vapor sobreescalfat.

3.4 Dispositius i vàlvules d'expansió

Exerceixen una doble funció:

• Reducció de la pressió sobre el refrigerant líquid saturat, provocant un subrefredament
• Regulació del cabal de pas de refrigerant

3.5 Cambra frigorífica

Els seus elements constitutius bàsics són tres:

• Aïllament.
• Barrera antivapor.
• Revestiments.

3.5.1 Aïllament

Acostuma a ser poliuretà, poliestirè expandit o poliestirè extrudit.

L'aïllament de la cambra es pot aconseguir amb dos tipus de construccions:

1. Aïllament de tancaments constituïts per elements de fàbrica: Els tancaments verticals es construeixen amb maons o blocs de formigó de fàbrica, protegits per una vorada o un muret.

• L'interior es xapa amb peces ceràmiques o de neteja fàcil com ara les metàl·liques o de polièster.
• Els sostres es construeixen amb materials lleugers si no han de suportar càrrega.
• Els terres han d'estar protegits contra la congelació, en el cas de les cambres amb temperatura negativa.

. Aïllament amb plafons prefabricats:

• Actualment són els que s'utilitzen més.
• Els plafons de poliestirè tenen un gruix de 50 mm a 250 mm i els de poliuretà de 30 mm a 180 mm.
• Es caracteritzen per ser fàcils d'instal·lar, ràpids de muntar, fàcils de mantenir i tenir un preu econòmic.

3.5.2 Barreres antivapor

Són necessàries per:

• Mantenir el valor de la conductivitat tèrmica de l'aïllant
• Evitar deterioraments en l'aïllant i en els paraments verticals i horitzontals.
• Reduir el consum energètic.
• Allargar la vida útil tant dels tancaments i materials aïllants com de la maquinària frigorífica.

Han de complir:

• Estar situades a la cara calenta de l'aïllament.
• No deixar discontinuïtats a cap punt del perímetre aïllat.
• Estar constituïdes per materials molt impermeables al vapor d'aigua. L’ús de cada material es recomana per a algunes aplicacions i es desaconsella per a d'altres.

3.5.3 Revestiments

Són necessaris per diverses raons:

• Raons mecàniques. Les proteccions eviten la ruptura accidental del material aïllant.
• Són una protecció contra la penetració de l'aigua o l’acció d'un possible foc i eviten el creixement de microorganismes a l'aïllant.
• Presenten superfícies llises que en faciliten la neteja i permeten complir les reglamentacions tecnicosanitàries.

5.1 Enginyeria de dissenys de la indústria

La sala de màquines ha de ser el més a prop possible de la zona de demanda de fred per evitar pèrdues i disminuir la inversió inicial.

Si hi ha diverses cambres, s'han d'instal·lar en bloc per aconseguir el màxim de parets comunes per estalviar en aïllament i en despeses de funcionament per pèrdues de calor.

Optimitzeu l'orientació respecte dels punts cardinals de les cambres.

En tancaments i sostres falsos, cal evitar o minimitzar les pèrdues per transmissió mitjançant la pintada de color blanc i una bona ventilació que contraresti la radiació.

5.2 Disseny i execució de l'aïllament de les cambres

Cal fer servir materials amb el menor coeficient de transmissió de calor (K) possible, com ara el poliuretà o el poliestirè.

Cal fer servir gruixos d'aïllant que permetin una transmissió de calor d'entre 7 W/m2 a 9 W/m2, ja que els gruixos més grans que aquests augmenten l'aïllament però requereixen un cost inicial major.

Assegureu-vos que no hi hagi forats entre plafons i que no estiguin danyats.

Escolliu les portes i els tancaments més adients per al tipus de producte que s’hi emmagatzemarà, per evitar pèrdues de fred a través d'obertures innecessàries.

5.3 Selecció i disseny de la instal·lació frigorífica

Estudieu la mida idònia de les unitats compressores i feu sempre funcionar a plena capacitat la unitat que estigui treballant a cada moment, ja que no treballar a plena càrrega suposa un COP menor.

Estudieu la relació de compressió P_condensador/P_evaporador(Tc/Te) a la qual treballarà cada compressor ja que com més reduïda sigui, més eficientment treballarà. Cal arribar a un compromís entre la inversió inicial i els costos de manteniment.

Escolliu la temperatura de condensació i establiu un:

si el refrigerant es condensa amb evaporatiu i de 15 K si ho fa amb aigua de torre o per aire sec de manera que els compressors consumeixin menys energia.

Feu servir ventiladors de doble velocitat per a moments en què no calgui tota la capacitat de condensació (a l'hivern), perquè consumeixen menys.

Instal·leu un purgador d'incondensables. L'aire entra i s'acumula en el condensador, la qual cosa impedeix un intercanvi de calor eficient i disminueix el COP. Només a les instal·lacions frigorífiques que a l’evaporador tinguin una temperatura que correspongui a una pressió de saturació menor que l’atmosfèrica.

Feu servir una superfície elevada de transmissió de calor als evaporadors i condensadors de manera a reduir la relació de compressió i augmentar el COP.

Establiu una separació diferencial de les aletes de l'evaporador. L'aire humit provinent del producte a refrigerar es troba primer amb una separació gran on descarrega la humitat, que es torna gebre ràpidament, i arriba després més sec a la zona de separació estreta on el coeficient de transmissió és molt més gran. Especialment indicada per a cambres amb una gran humitat: cambres d'aireig, avantcambres, etc.

Calculeu un bon dimensionament de les línies d'instal·lació, per no perdre pressió, que redueixi el COP.

5.4 Manteniment de la instal·lació

Per assegurar que l'eficiència energètica es manté constant, cal realitzar periòdicament:

• Neteja de filtres
• Canvi d'oli de compressors
• Control d'incondensables
• Purga d'aire
• Neteja de condensadors
• Control del sistema de desgebrament

6.1 Estalvi d'energia en el sistema mitjançant la instal·lació d'una termofrigobomba

Una empresa càrnia instal·la una termofrigobomba per refredar les cambres frigorífiques i reutilitzar l'energia tèrmica quan escalfa les cambres de maduració de llonganissa.

El sobreconsum elèctric que es produeix a causa de la T_Condensador és de 60 kW_elèctrics, aproximadament, mentre que la producció de calor a la zona calenta de la termofrigobomba és de kW_tèrmics. Per tant:

És a dir, per cada kW addicional invertit en el compressor, gràcies a la termofrigobomba, obtenim 13,3 kW tèrmics per a les cambres de maduració.

Informació complementària: Vegeu el catàleg de fred industrial i les fitxes de climatització industrial: grups de fred i torres de refrigeració i refrigeració mitjançant el cicle d'absorció

4.1 Instal·lacions frigorífiques disponibles

Aquest tipus d'instal·lació presenta l'avantatge enfront de les instal·lacions monobloc que tots els fluids refrigerants s'alimenten en paral·lel a partir d'una mateixa línia de líquid per a totes les cambres.

D'aquesta manera:

• Es pot obtenir una potència de refrigeració molt elevada, la qual cosa possibilita, a més, una adaptació més precisa a les necessitats instantànies que requereix la instal·lació.
• S’obté un funcionament més segur, ja que la potència total es reparteix entre diversos compressors de la mateixa mida o de mida diferent.
• Major flexibilitat funcional, ja que és capaç d'abastar sobrecàrregues dels serveis que hi ha connectats i de racionalitzar la potència elèctrica absorbida.
• La parcialització dels compressors permet un funcionament adient de la instal·lació en qualsevol condició de càrrega tèrmica.
• L'ús de diversos compressors de diferent potència permet variar la capacitat d'una forma més continua per la multiplicitat de combinacions per controlar millor la pressió a l'evaporador. Es recomana que cada compressor tingui el doble de potència que l'anterior (1, 2, 4, 8, etc.)
• 3 compressors iguals de 2 kW cadascun permeten ajustar la potència a 2 kW, 4 kW o 6 kW, mentre que si tenen potències diferents d’1 kW, 2 kW i 4 kW podem tenir les combinacions següents:

Les figures anteriors il·lustren la major continuïtat en l'esglaonament de la potència total en el cas que s'emprin compressors de potències diferents, enfront de l'ús de compressors iguals.

4.2 Termofrigobombes

El principi de la termofrigobomba és fer servir l'evaporador com a productor de fred i el condensador com a productor de calor, tot aprofitant la calor de condensació.

La idea és apujar la temperatura de l'aire o de l'aigua del condensador fins a entre 45º C i 55º C de manera que es pugui aprofitar, encara que es redueixi el COP. Així doncs, per a una mateixa producció de fred, es consumeix més potència elèctrica en el compressor, però s'obté fluid calent a baix cost.

Els avantatges enfront d'una bomba de calor són:

• El sobreconsum elèctric correspon únicament al derivat de l'elevació de la Tcondensador i no a tot el consum elèctric del compressor.
• El cost de manteniment no s'incrementa.
• El sobrecost d'inversió respecte d'una màquina frigorífica convencional és poc elevat, prop d’un 20% o menys.

No obstant això, per justificar-ne la instal·lació es requereix una demanda de fred i d'aigua o aire poc calent simultànies, en un mateix lloc.