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Cámaras Frigoríficas Industriales

  • 1. Descripción

    1.1 Definición

    Las cámaras frigoríficas industriales son recintos refrigerados por ciclos de compresión de vapor y cuya baja temperatura se mantiene gracias a su revestimiento con materiales aislantes.

    El espesor del aislante depende de factores como la diferencia de temperaturas exterior e interior, o el máximo flujo de calor permitido.

    1.2 Aplicaciones Industriales

    Las cámaras frigoríficas tienen una importante aplicación en diversas industrias, destacando entre ellas:

    • Industria farmacéutica: Muchos de los compuestos utilizados en este sector necesitan ser conservados y almacenados en condiciones estrictas y estables de baja temperatura
    • Industria alimentaria: Su uso es muy extendido y toma especial importancia en los subsectores cárnico, pesquero, lácteo y conservero.
    • Otros ámbitos: como pueden ser los laboratorios de investigación biotecnológica.
  • 2. Conceptos básicos

    2.1 Calor sensible y calor latente

    Calor sensible es el calor que se emplea en variar la temperatura de un cuerpo, en este caso agua o fluido térmico. Está relacionado con el calor específico, que en caso del agua líquida es de 1 kcal/kg ºC.

    Calor latente es el calor empleado en producir un cambio de estado en un cuerpo, como por ejemplo la vaporización del agua, cuyo calor latente de vaporización es de 540 kcal/kg (a 100 ºC).

    2.2 Ciclo de compresión mecánica de vapor

    El ciclo de compresión de vapor permite transferir calor desde un foco frío a uno caliente mediante la utilización de trabajo mecánico de compresión.

    Se divide en 4 fases:

    1. Compresión de vapor sobrecalentado.
    2. Condensación del vapor.
    3. Expansión del líquido hasta cierto subenfriamiento.
    4. Evaporación y sobrecalentamiento del líquido subenfriado.

    Sistema de refrigeración por compresión

    2.3 Rendimiento del ciclo de refrigeración por absorción

    Es la medida de la eficiencia en la transformación de la energía eléctrica (suministrada al compresor) en capacidad refrigerante de la máquina (o de extracción de calor del evaporador).

    Se denomina COP, coeficiente de operación, y viene dado por la relación:

    COP: Coeficiente de operación

    Los aspectos fundamentales que influyen en el valor de este parámetro son:

    Pérdidas de calor en el compresor: reducen el COP.

    Caídas de presión en el sistema: reducen el COP.

    Temperaturas en el condensador y en el evaporador: a menor diferencia entre ellas, menor COP.

    Existencia o no de intercambiadores de calor entre el líquido a la salida de la válvula de expansión y el vapor que sale del evaporador. La diferencia de temperaturas después del intercambio no es grande (2 ºC ó 3 ºC) pero reduce sensiblemente el trabajo de compresión y, por tanto, aumenta el COP.

    2.4 Materiales aislantes

    Los materiales aislantes deben su efecto a la oclusión de burbujas de gas en reposo, con una muy baja conductividad térmica.

    Deben tener la menor tendencia a la absorción de agua posible (higroscopicidad) para evitar condensaciones, pero aun así deben ser protegidos ante vapor de agua ya que, al condensar, éste reduce la capacidad aislante del material, pudiendo incluso romper la estructura al congelarse.

    Otras características importantes de un buen material aislante son:

    • Imputrescible.
    • Inatacable por los roedores.
    • Inodoro y ausencia de fijación de olores.
    • Incombustible.
    • Neutro químicamente frente a otros materiales utilizados en la construcción de la cámara y frente a fluidos con los que deba estar en contacto.
    • Plástico, adaptándose a las deformaciones de la estructura de la cámara.
    • Facilidad de colocación.
    • Resistencia a la compresión y a la tracción.

    Los tipos de aislantes más utilizados en cámaras frigoríficas son:

    Temperaturas máximas y rango de temperaturas de operación de aislantes aplicados en cámaras frigoríficas
    Aislante Máxima temperatura (ºC)
    Corcho 65
    Poliestireno expandido 70
    Poliestireno extrusionado 85
    Poliuretano 140
    Espuma elastomérica -40 a +105
    Cubretuberías 120

    El corcho no se utiliza en la actualidad para cámaras frigoríficas, pero numerosas cámaras antiguas lo tienen como aislante.

    Los aislantes orgánicos como el poliuretano o el poliestireno son los más aptos para el aislamiento frigorífico.

  • 3. Componentes

    3.1 Compresor

    Su función es aumentar la presión del refrigerante en estado vapor e impulsarlo desde el evaporador al condensador.

    3.2 Condensador

    Extrae el calor del fluido refrigerante en estado vapor hasta llevarlo a líquido saturado. Este calor es transferido a otro fluido que puede ser aire o agua (ésta puede absorber un calor latente de vaporización de 600 kcal/kg, por lo que su capacidad es mucho mayor que la del aire).

    3.3 Evaporador

    En este componente, el fluido refrigerante extrae calor de la cámara frigorífica, absorbiendo calor sensible y calor latente de vaporización hasta llegar al estado de vapor sobrecalentado.

    3.4 Dispositivos y válvulas de expansión

    Ejercen una doble función:

    • Reducción de la presión en el refrigerante líquido saturado, provocando un subenfriamiento.
    • Regulación del caudal de paso de refrigerante.

    3.5 Cámara Frigorífica

    Sus elementos constitutivos básicos son tres:

    • Aislamiento.
    • Barrera antivapor.
    • Revestimientos.
    3.5.1 Aislamiento

    Suele ser de poliuretano, poliestireno expandido o poliestireno extrusionado.

    El aislamiento de la cámara se puede conseguir con dos tipos de construcciones:

    1. Aislamiento de cerramientos constituidos por elementos de fábrica: Los cerramientos verticales se construyen con ladrillos o bloques de hormigón de fábrica y protegidos por un bordillo o murete.

    • El interior se chapa con piezas cerámicas o de fácil limpieza como las metálicas o de poliéster.
    • Los techos se construyen en materiales ligeros si no han de soportar carga.
    • Los suelos deben ser protegidos contra la congelación, en el caso de cámaras con temperatura negativa.

    Construcción de una cámara con fibra de vidrio aislante

    2. Aislamiento con paneles prefabricados:

    • Son los más utilizados actualmente.
    • Los paneles de poliestireno tienen un espesor de 50mm a 250 mm y los de poliuretano de 30 mm a 180 mm.
    • Se caracterizan por su fácil instalación, gran rapidez de montaje, fácil mantenimiento y precio económico.
    3.5.2 Barreras antivapor

    Son necesarias para:

    • Mantener el valor de la conductividad térmica del aislante
    • Evitar deterioros en el aislante y en los paramentos verticales y horizontales.
    • Reducir el consumo energético.
    • Alargar la vida útil de cerramientos, materiales aislantes y de la maquinaria frigorífica.

    Deben cumplir:

    • Estar situadas en la cara caliente del aislamiento.
    • No dejar discontinuidades en ningún punto del perímetro aislado.
    • Estar constituidas por materiales muy impermeables al vapor de agua. El uso de cada material se recomienda para algunas aplicaciones, desaconsejándose para otras.
    Materiales empleados como aislantes y barreras antivapor en función del tipo de cámara frigorífica
    Material de barrera Tipo de cámara Tipo de aislamiento
    Emulsión bituminosa en frío Refrigeración
    • Poliuretano proyectado in situ
    • Placas de poliuretano
    • Placas de pliestireno expandido
    • Otros
    Láminas asfálticas con o sin aluminio
    • Refrigeración
    • Congelación
    • Conservaciíon de congelados
    Láminas de polietileno
    Chapa metálica Generalmente como elemento constitutivo de paneles
    3.5.3 Revestimientos

    Se hacen necesarios por varias razones:

    • Razones mecánicas. Las protecciones evitan la rotura accidental del material aislante.
    • Son una protección contra la penetración del agua, acción de un posible fuego y evitan el crecimiento de microorganismos en el aislante.
    • Presentan superficies lisas que facilitan su limpieza y permiten cumplir con las reglamentaciones técnico-sanitarias.
  • 4. Medidas de eficiencia

    4.1 Ingeniería de diseño de la Industria

    La sala de máquinas ha de estar lo más cerca posible a la zona de demanda de frío para evitar pérdidas y disminuir la inversión inicial.

    Si hay varias cámaras, se deben instalar en bloque, para conseguir el máximo de paredes comunes para ahorrar en aislamiento y en gastos de funcionamiento por pérdidas de calor.

    Optimizar la orientación respecto de los puntos cardinales de las cámaras.

    En cerramientos y falsos techos, evitar o minimizar las pérdidas por transmisión mediante el pintado con color blanco y una buena ventilación que contrarreste la radiación.

    4.2 Diseño y ejecución del aislamiento de las cámaras

    Utilizar materiales con un coeficiente de transmisión de calor (K) lo más pequeño posible, como el poliuretano o poliestireno.

    Utilizar espesores de aislante que permitan una transmisión de calor cifrado entre 7 W/m2 - 9 W/m2, ya que mayores espesores aumentan el aislamiento pero suponen mayor coste inicial.

    Asegurar que no haya huecos entre paneles y que no estén dañados.

    Escoger las puertas y cerramientos más adecuados para el tipo de producto que se va a almacenar, para evitar pérdidas de frío en aperturas innecesarias.

    4.3 Selección y diseño de la instalación frigorífica

    Estudiar el tamaño idóneo de las unidades compresoras y siempre hacer funcionar a plena capacidad la unidad que esté trabajando en cada momento, ya que no trabajar a plena carga supone un menor COP.

    Estudiar la relación de compresión Pcondensador/Pevaporador(Tc/Te) a la que va a trabajar cada compresor puesto que cuanto menor sea, más eficientemente trabajará. Hay que llegar a un compromiso entre inversión inicial y costes de mantenimiento.

    Elegir la temperatura de condensación y establecer un:

    si el refrigerante se condensa con evaporativo y de 15 K si lo hace con agua de torre o por aire seco para que los compresores consuman menos energía.

    Influencia de la temperatura de condensación en el COP para un sistema determinado de NH3 como refrigerante
    Te (ºC) Tc (ºC) Potencia frigorífica (kW) Potencia absorbida (kWeléctricos) COP
    -32 35 356 182 1,96
    -32 36 355 185 1,92
    -32 37 354 189 1,87
    -32 38 353 192 1,83
    -32 39 353 196 1,80
    -32 40 352 200 1,76

    Usar ventiladores de doble velocidad para momentos en que no sea necesaria toda la capacidad de condensación (invierno) porque consumen menos.

    Instalar purgador de incondensables. El aire entra y se acumula en el condensador impidiendo un intercambio de calor eficiente y disminuye el COP. Sólo en las instalaciones frigoríficas cuya temperatura en el evaporador corresponda a una presión de saturación menor que la atmosférica.

    Utilizar una elevada superficie de transmisión de calor en los evaporadores y condensadores porque reduce la relación de compresión y aumenta el COP.

    Establecer una separación diferencial de las aletas del evaporador. El aire húmedo proveniente del producto a refrigerar se encuentra primero con una separación grande donde descarga la humedad que es rápidamente escarchada, llegando luego más seco a la zona de separación estrecha donde el coeficiente de transmisión es mucho mayor. Especialmente indicada para cámaras con gran humedad: cámaras de oreo, antecámaras, etc.

    Calcular un buen dimensionado de las líneas de instalación, para no perder presión que reduzcan el COP.

    4.4 Mantenimiento de la instalación

    Para asegurar que la eficiencia energética se mantiene constante es necesario realizar periódicamente:

    • Limpieza de filtros.
    • Cambio de aceite de compresores.
    • Control de incondensables.
    • Purga de aire.
    • Limpieza de condensadores.
    • Control del sistema de desescarche.
  • 5. Ejemplo

    5.1 Ahorro de energía en el sistema por la instalación de una termofrigobomba

    Una empresa cárnica instala una termofrigobomba para enfriar las cámaras frigoríficas y reutilizar la energía térmica en calentar cámaras de maduración de salchichón.

    El sobreconsumo eléctrico debido al aumento de la TCondensador es de 60 kWeléctricos, aproximadamente, mientras que la producción de calor en la zona caliente de la termofrigobomba es de 800 kWtérmicos. Por lo tanto:

    Es decir, por cada kW adicional invertido en el compresor debido a la termofrigobomba obtenemos 13,3 kW térmicos para las cámaras de maduración.

    Información complementaria: Ver Catálogo Frío Industrial y Fichas Climatización Industrial: grupos de frío y torres de refrigeración y Refrigeración mediante el Ciclo de Absorción.

  • 6. Mejores Equipos

    6.1 Instalaciones frigoríficas Disponibles

    Este tipo de instalación presenta la ventaja sobre las instalaciones Monobloc de que todos los fluidos refrigerantes son alimentados en paralelo a partir de una misma línea de líquido para todas las cámaras.

    De esta manera:

    • Permite obtener una potencia de refrigeración muy elevada, posibilitando además una adaptación más precisa a las necesidades instantáneas que demanda la instalación.
    • Permite mayor seguridad de funcionamiento ya que la potencia total está repartida entre varios compresores de igual o distinto tamaño
    • Mayor flexibilidad funcional ya que es capaz de abarcar sobrecargas de los servicios conectados y de racionalizar la potencia eléctrica absorbida.
    • La parcialización de los compresores permite un funcionamiento adecuado de la instalación en cualquier condición de carga térmica.
    • La utilización de varios compresores de distinta potencia permite variar la capacidad de una forma más continua por la multiplicidad de combinaciones para controlar mejor la presión en el evaporador. Se recomienda que cada compresor tenga el doble de potencia que el anterior (1, 2, 4, 8, etc.)
    • 3 compresores iguales de 2 kW cada uno, permiten ajustar la potencia a 2 kW, 4 kW o 6 kW, mientras que si tienen potencias distintas de 1 kW, 2 kW y 4 kW podemos tener las siguientes combinaciones:
    Posibles combinaciones de 3 compresores distintos
    1 kW 2kW 4kW Potencia total (kW)
    X     1
      X   2
    X X   3
        X 4
    X   X 5
      X X 6
    X X X 7

    Escalonamiento de 4 compresores iguales

    Escalonamiento de 4 compresores distintos

    Las figuras anteriores ilustran la mayor continuidad en el escalonamiento de la potencia total en el caso de emplear compresores de potencias distintas, frente a la utilización de compresores iguales.

    6.2 Termofrigobombas

    El principio de la termofrigobomba es usar el evaporador como productor de frío y el condensador como productor de calor, aprovechándose el calor de condensación.

    La idea es subir la temperatura del aire o del agua del condensador hasta 45 ºC-55 ºC de modo que pueda ser aprovechada, aunque se reduzca el COP. Así, para una misma producción de frío, se consume más potencia eléctrica en el compresor, pero se obtiene fluido caliente a bajo costo.

    Sus ventajas frente a una bomba de calor son:

    • El sobreconsumo eléctrico corresponde únicamente al debido a la elevación de Tcondensador, y no todo el consumo eléctrico del compresor.
    • El coste de mantenimiento no se incrementa.
    • El sobrecoste de inversión respecto de una máquina frigorífica convencional es poco elevado, sobre un 20 %. o menos.

    No obstante, para justificar su instalación se requiere una demanda de frío y de agua o aire poco caliente simultáneas, en un mismo lugar.

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