Cálculo de cargas en refrigeración

Se denomina carga de enfriamiento o de refrigeración a la velocidad con la que es preciso retirar calor desde un recinto para bajar su temperatura hasta un valor deseado. Dicha velocidad tendrá unidades de energía por unidad de tiempo, y suele expresarse en: kW, kJ/día, kcal/día, kcal/h, etc. También es frecuente denominar “frigoría” a la kilocaloría cuando el calor es extraído. Precisamente, el punto de partida para el diseño de cámaras frigoríficas es evaluar sus necesidades o “cargas” de refrigeración, pudiendo así establecer cuál será el equipo frigorífico más adecuado para compensar dichas ganancias de calor (pérdidas frigoríficas). Evidentemente dicha carga puede ser variable a lo largo del tiempo, por ello se suele realizar una estimación de las necesidades máximas.





Pérdidas por transmisión

Se incluyen aquí las pérdidas frigoríficas, es decir, las pérdidas de calor, que se producen por transmisión a través de las paredes de la cámara. Será necesario conocer la diferencia de temperaturas, la superficie de cada pared, el espesor del aislante en cada pared y el tiempo (generalmente se toma como base un día, es decir, 24 horas). Se utiliza entonces directamente la expresión para la transmisión del calor:
                                                                      •

Q t= k (A/d) ΔT 

donde, como ya se dijo, se desprecian las contribuciones por convección y las contribuciones del material de construcción. Este cálculo debe realizarse para cada pared, ya que la superficie, el espesor o la diferencia de temperaturas puede ser diferente. La pérdida total por transmisión será la suma de la pérdida a través de cada pared.

Enfriamiento y/o congelación de productos

El enfriamiento del producto suele ser la mayor de las cargas de refrigeración, ya que es el objetivo final del proceso. Para estimar esta carga hay que tener en cuenta:
 - Plazo de tiempo del que se dispone para el enfriamiento y/o congelación.
 - Cantidad de producto que hay que enfriar en dicho plazo.
 - Temperatura a la que hay que enfriar el producto.
 - Recipiente en el que se almacena el producto.

Los dos primeros factores se suelen reunir en el concepto de “recepción máxima diaria”, es decir, en la cantidad máxima de producto que la cámara recibirá al cabo del día, Md. En algunos casos esta cantidad será muy inferior a la capacidad máxima de la cámara, mientras que en otros, como las cámaras de preenfriamiento de centrales hortofrutícolas, ambas cantidades coinciden.
Para calcular la cantidad de calor que debe extraerse de la cámara debemos conocer las temperaturas de entrada, de enfriamiento y, en caso necesario, de congelación del producto, así como su calor específico.


* Sólo enfriamiento:                                  •

Q e = Md cp (T1 – T2) 

* Enfriamiento y congelación:     •

             Q e = Md cp (T1 – Tc) + Md Ls + Md cc (Tc – T2) 

donde 

•

Q e = Carga de enfriamiento (J/día) 

Md = Recepción máxima diaria (kg/día) 

T1 = Temperatura de entrada. 

T2 = Temperatura de conservación.  

Tc = Temperatura de congelación del producto 

Ls = Calor latente de congelación, fusión o solidificación (J/kg) 

cp = Calor específico del producto (J/(kg ºC)) 

cc = Calor específico del producto congelado 

Conservación de productos

Algunos productos refrigerados, especialmente productos hortofrutícolas, continúan desprendiendo cierta cantidad de calor una vez que han alcanzado su temperatura de conservación. Este calor se denomina calor de respiración, y debe ser extraído de la cámara para evitar aumentos de temperatura. En la Tabla 7.4 se proporciona como dato la cantidad de calor de respiración producido cada día (en kcal/tonelada) por diversas frutas y verduras a varias temperaturas de referencia. Si denominamos qr a ésta cantidad, el calor por necesidades de conservación por día será :   •

Q r = Mt qr

donde:
Mt : será la cantidad de producto total que se encuentra almacenado.

Pérdidas por renovación de aire

El aire de la cámara frigorífica debe ser renovado periódicamente con una frecuencia que depende del tipo de producto que se almacene. Por ejemplo, en el caso de carnes refrigeradas, quesos en maduración y huevos el número de renovaciones será de 2 a 4 cada día. En el caso de centrales hortofrutícolas el número puede ser menor, aunque dependerá del tipo de producto almacenado y de si se realiza, o no, algún tratamiento químico.
El aire que entra en la cámara se enfría y se seca, produciéndose por tanto dos cargas por renovación de aire. En el cálculo de las mismas resulta útil el conocimiento de las propiedades psicrométricas del aire, así como la utilización del diagrama psicrométrico. En el enfriamiento intervendrá la diferencia de temperaturas entre el aire externo y el interno, mientras que la condensación del agua aporta un cierto calor latente. Ambas contribuciones se encuentran reunidas en la definición de entalpía del aire. La expresión a utilizar será, por tanto, la siguiente:                               •                * 

Q a = n maΔh

siendo: n = Número de renovaciones de aire al día.
ma= masa de aire que entra en la cámara ; ma= V/v* 
 V = Volumen interno de la cámara.
v*= Volumen específico del aire que entra.
Δh*= Diferencia de entalpías entre el aire externo y el interno.

Si la temperatura del aire está por debajo de 0ºC resulta difícil poder obtener las entalpías utilizando el diagrama psicrométrico. Como la cantidad de vapor será muy pequeña puede hacerse la aproximación:

Δh*≈ ha≈ ca T (ºC) ≈ T (ºC) 

es decir, que la entalpía coincide numéricamente con la temperatura en grados Celsius.
Ya que la condensación del agua se produce en los evaporadores, será necesario descongelarlos periódicamente utilizando resistencias eléctricas, cortinas de agua o invirtiendo el sentido de circulación del gas refrigerante.

Otras cargas térmicas

Para completar el cálculo de cargas pueden estimarse otras cargas térmicas de menor importancia, entre las que destacamos:

- Calor desprendido por los ventiladores. Los ventiladores situados en los evaporadores generan una cierta cantidad de calor durante su funcionamiento. La determinación exacta de ésta contribución resulta difícil a priori, ya que inicialmente no se conoce cuál equipo se va a instalar, y por tanto cuál será la potencia de dichos ventiladores. Ya que la contribución al total de cargas es pequeña, se suele dar una cifra aproximada, qv , de entre 10 y 50 kcal/m3 al día. Si se conoce o se estima la potencia, solamente habrá que multiplicarla por el tiempo que esté funcionando el ventilador.

- Necesidades por servicio. Nos referimos aquí a las pérdidas frigoríficas debidas a la iluminación de la cámara, la circulación de personas, la apertura de puertas, condensaciones, descarche, enfriamiento de los recipientes donde se almacena el producto, etc. Suele estimarse que el total de pérdidas se sitúa entre el 10 y el 25% de las pérdidas por transmisión. Se suele estimar que todas estas pérdidas constituyen alrededor del 15% de las pérdidas por transmisión, enfriamiento y/o congelación y conservación:

Carga total

Llamaremos carga total ó carga total diaria a la suma de todas las cargas producidas en un día (24 horas):                 •                                           •         •        •         •        •        •         •

Q T = Q t + Q e + Q r + Q a + Q v + Q s kJ/día