Diseño y cálculo de cargas para cámaras frigoríficas

Key Concepts

• Fuente Fría (Cold Source): El espacio (cámara) del cual se extrae calor (Q2) para refrigeración.
• Fuente Caliente (Hot Source): El entorno (ambiente) al que se cede calor (Q1) durante el ciclo de refrigeración.
• Cálculo de Cargas: Evaluación de la cantidad total de energía (calor) a extraer de una cámara frigorífica, generalmente calculado en base diaria.
• Peso Específico Aparente: No solo el volumen del producto, sino también el espacio ocupado por pasillos, corrientes de aire y el evaporador.
• Estibaje: Método de acomodo del producto (manual, cinta transportadora, autoelevadores) que influye en la altura de la cámara.
• Aislante: Material utilizado para minimizar la transferencia de calor entre el interior y el exterior de la cámara.
• Conductividad Térmica (k): Capacidad de un material para conducir calor; deseable que sea baja en aislantes.
• Densidad: Relacionada con la porosidad del material aislante; generalmente se busca que sea baja.
• Hidrofobicidad: Capacidad de un material para repeler el agua; importante para evitar la pérdida de propiedades aislantes.
• Puentes Térmicos: Puntos de alta conductividad térmica que facilitan la transferencia de calor a través del aislante.
• Barrera de Vapor: Material hidrófugo que impide el paso de vapor de agua hacia el interior del aislante.
• Paneles Sándwich: Materiales de construcción compuestos por una capa de aislante recubierta por un material hidrófugo.
• Válvulas de Equilibrio de Presión: Dispositivos que regulan la diferencia de presión entre el interior y el exterior de la cámara.
• Calor Vital: Calor generado por los procesos metabólicos de los productos almacenados, especialmente en vegetales.
• Factor de Rapidez: Consideración de la velocidad a la que se desea enfriar o congelar un alimento, afectando el cálculo de la carga térmica inicial.
• Número de Renovaciones por Hora: Coeficiente que indica la cantidad de veces que el aire de la cámara debe ser renovado por hora.

1. Datos Iniciales para el Diseño de Cámaras Frigoríficas

• Tipo de Materiales: Es crucial conocer el tipo de aislante que se utilizará en la construcción de la cámara.
• Producto a Almacenar: El tipo y la cantidad de producto determinan las dimensiones y las condiciones internas de la cámara.
• Condiciones Geográficas y Climáticas: La ubicación geográfica influye en las condiciones de operación del ciclo frigorífico. Se deben considerar tablas según la zona geográfica.
• Características de Funcionamiento: Se debe considerar la metodología de ingreso y salida del producto, la presencia de personal, el tipo y la cantidad de iluminación, y la cantidad de ventiladores.
• Movimiento Diario y Mensual de la Mercadería: Es importante conocer la rotación del producto para evaluar los cambios de temperatura dentro de la cámara.

2. Dimensionamiento de la Cámara

• Peso Específico Aparente: Se determina considerando el volumen del producto, los pasillos de circulación, el espacio del evaporador y el espacio libre entre el producto y el techo.
• Volumen de la Cámara: Se calcula dividiendo la cantidad de producto a almacenar por el peso específico aparente.
• Área de la Cámara: Se determina definiendo una altura basada en el modo de estibaje (manual, cinta transportadora, autoelevadores).
• Ejemplo de Tabla: Se presenta una tabla con valores de pesos específicos aparentes para diferentes tipos de productos.

3. Diseño Constructivo y Materiales Aislantes

• Propiedades de los Aislantes:
  • Conductividad Térmica: Debe ser lo más baja posible para aislar el recinto del exterior.
  • Densidad: Generalmente se busca que sea baja, pero puede influir en otros factores.
  • Hidrofobicidad: Debe haber un rechazo al agua para evitar la reducción de las propiedades aislantes.
  • Combustibilidad: El aislante no debe ser combustible por razones de seguridad.
  • Olor: No debe tener olor para evitar la contaminación de los alimentos.
  • Coeficiente de Dilatación Térmica: Debe ser lo más reducido posible para evitar fluctuaciones de temperatura.
  • Resistencia Mecánica: Debe ser lo más robusta posible.
  • Costo: Es una de las variables más importantes a considerar.
  • Facilidad de Corte: Debe ser fácil de cortar y manipular.
• Materiales Comúnmente Utilizados:
  • Poliuretano inyectado
  • Poliuretano expandido
  • Poliestireno (Telgopor)
  • Fibra mineral
  • Corcho expandido
  • Poliestireno extruido
  • Lana de vidrio
  • Fibras de madera
• Espesores de Aislamiento: Varían según el destino de la cámara (enfriamiento, conservación, congelación) y la temperatura operativa.
  • Enfriamiento (por encima de 25°C): 3 pulgadas
  • Conservación (5-15°C): 4 pulgadas
  • Congelación (-5 a -20°C): 6 pulgadas
  • Congelamiento (-20 a -40°C): 8 pulgadas

4. Cálculo del Espesor del Aislante

• Fórmula General: Q = U * A * ΔT, donde Q es el calor, U es el coeficiente de transferencia total de calor, A es el área y ΔT es la diferencia de temperatura.
• Inversa del Coeficiente de Transmisión Total de Calor: 1/U = Σ(e/k) + 1/hi + 1/he, donde e es el espesor del aislante, k es la conductividad térmica, hi es la conductividad interior y he es la conductividad exterior.
• Simplificación: Se pueden despreciar los términos de conductividad convectiva (1/hi y 1/he), quedando 1/U = Σ(e/k).
• Calor Específico Límite:
  • Temperaturas negativas: q = 6 watts/m²
  • Temperaturas positivas: q = 8 watts/m²
• Cálculo del Espesor: e = k * ΔT / q
• Selección del Espesor Comercial: Se elige el valor inmediato superior al calculado que se comercializa.

5. Diseño Constructivo de Paredes, Techos y Suelos

• Paredes:
  • Revoque hidrófugo exterior
  • Mampostería
  • Grampas para sujetar el aislante
  • Material aislante (bloques entrecruzados para evitar puentes térmicos)
  • Pintura asfáltica (barrera de vapor)
  • Mampostería interior
• Suelos:
  • Contrapiso
  • Material hidrófugo (pintura asfáltica)
  • Material aislante
  • Barrera de impermeabilización
  • Zócalo aislante
  • Cemento
• Barreras de Vapor:
  • Asfálticas (aplicadas en caliente o en frío)
  • Telas asfálticas (con malla de aluminio)
  • Metálicas (chapa de acero galvanizado, aluminio)
• Calentamiento del Suelo (Cámaras Negativas):
  • Cámara de aire con ventilación
  • Red de toberas
  • Sistemas de calefacción eléctrica (resistencias o cables enmallados)

6. Paneles Sándwich

• Descripción: Materiales construidos con una capa de aislante (poliuretano expandido, poliestireno) recubierta por un material hidrófugo (chapa galvanizada, acero inoxidable, aluminio).
• Beneficios:
  • Mayor durabilidad
  • Ligereza
  • Fácil construcción
  • Gran adherencia a las superficies
  • Auto portancia
• Tipos de Encastre:
  • Con re barba (escalonado)
  • Machimbrado (macho hembra)

7. Reglamentaciones

• Código Alimentario Argentino: No hay una reglamentación específica para el diseño constructivo de cámaras frigoríficas, pero sí hay consideraciones generales.
• SENASA (Capítulo 5): Define cámaras frigoríficas, requisitos de construcción, sistemas de refrigeración, acondicionamiento de productos, limpieza, desinfección, control ambiental y mantenimiento de temperaturas.
• Reglamentaciones Europeas: Pueden servir de referencia, pero no son obligatorias en Argentina.

8. Consideraciones Generales para el Diseño Constructivo

• Estructurales:
  • Superficies sanitarias (fáciles de limpiar y desinfectar)
  • Pisos antideslizantes (seguridad)
  • Válvulas de equilibrio de presión (regulan la diferencia de presión)
  • Iluminación con protección (evita la contaminación de alimentos)
  • Aberturas con protección anti congelación (evita la condensación y congelación)
  • Drenajes para ciclos de descongelamiento (evacuan el agua)
• De Proceso:
  • Temperatura interna (rango operativo)
  • Control de humedad (evita la desecación o formación de hongos)
  • Renovación del aire (necesaria para algunos productos)
  • Caudal de aire (controlado y distribuido adecuadamente)

9. Cálculo de Cargas Térmicas

• Calor del Producto:
  • Enfriamiento hasta el punto de congelación
  • Congelación (calor latente de solidificación)
  • Enfriamiento por debajo del punto de congelación
  • Consideración del envase
  • Factor de rapidez de enfriamiento (solo en la primera etapa)
• Calor Vital de la Mercadería:
  • Generado por los procesos metabólicos de los vegetales
  • Se calcula con un coeficiente específico para cada producto
• Calor del Aire de Renovación:
  • Calculado por termodinámica o con una fórmula simplificada
  • Considera el número de renovaciones por hora
• Calor Ingresado por Paredes, Piso y Techo:
  • Calculado con las características de los materiales y las temperaturas exterior e interior
  • Corrección por radiación solar (según la ubicación y el color de las paredes)
• Calor por Permanencia de Personal:
  • Calculado con la cantidad de personas, las horas de trabajo y un coeficiente de utilización
• Calor por Iluminación y Ventiladores:
  • Calculado con la potencia de los artefactos y un coeficiente de utilización

10. Síntesis/Conclusion

El diseño y dimensionamiento de cámaras frigoríficas es un proceso complejo que requiere considerar múltiples factores, desde las características del producto a almacenar hasta las condiciones climáticas y los materiales de construcción. El cálculo preciso de las cargas térmicas es fundamental para seleccionar el equipo de refrigeración adecuado y garantizar la conservación óptima de los alimentos. Es crucial comprender los conceptos de conductividad térmica, hidrofobicidad, barreras de vapor y puentes térmicos para diseñar una cámara eficiente y duradera. Además, se deben tener en cuenta las reglamentaciones y las consideraciones estructurales y de proceso para asegurar la seguridad y la calidad de los alimentos almacenados.