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DISEÑO DE CÁMARAS FRIGORÍFICAS

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AISLAMIENTO TÉRMICO

Tiene como misión proteger las instalaciones industriales, que trabajan en cualquier campo de temperaturas contra disipaciones de energía, mediante el uso de aislantes.

Los materiales aislantes (malos conductores de calor) están constituidos por celdillas que contiene aire.

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Objetivos de aislamiento.

Facilitar el mantenimiento de la temperatura adecuada en el interior del recinto, ajustando las pérdidas de calor a valores prefijados por unidad de superficie.

Proporcionar ahorro energético con un espesor económico óptimo.

Añadir resistencia adicional a paredes, techos o suelos.

Aumentar la resistencia ofrecida a la difusión del vapor de agua.

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Características que debe reunir los aislantes

Presentar baja conductividad térmica y baja higroscopicidad.

Ser inatacables por roedores.

Ser inodoros y mostrar ausencia de fijación de olores.

Ser incombustibles y neutros químicamente frente a otros materiales utilizados en la construcción.

Presenta un comportamiento plástico adaptándose a las deformaciones de la obra.

Ser fáciles de manejar e instalar.

Mostrar resistencia a la compresión y tracción.

Debe tener un peso ligero y un precio razonable.

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AISLANTES MÁS UTILIZADOS

1. Poliestireno expandido

Es estable entre -200ºC y +85ºC.

Tiene una densidad de 10-30 kg/m3

Coeficiente de conductividad térmica entre 0.028-0.049 kcal/m.hºC

Resistencia mecánica de 0.4-1 kg/cm2

No es adecuado para el aislamiento de suelos, por su baja resistencia mecánica.

Inconveniente: sin cuidado previo puede llegar a ser comido por las ratas.

Es comúnmente utilizado para el aislamiento en los techos.

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2. Espuma de poliuretano.

Se obtiene por la reacción de dos componentes líquidos: isocianato y poliol en presencia de catalizadores

Se confeccionan en fábrica y en “situ” con la ayuda de moldes.

Tiene una densidad de 35-40 kg/m3 llegando hasta 80 kg/m3

Resistencia mecánica de 2-3 kg/cm2

Inconveniente: Contiene R-11 y en caso de fuego con altas temperaturas se forma fosgeno, que es un gas letal.

Es comúnmente utilizado para el aislamiento en los techos y paredes.

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3. Corcho aglomerado

Es el más viejo de los materiales utilizados en el aislamiento frigorífico.

Posee una buena resistencia mecánica a la compresión, siendo adecuado para el aislamiento de suelos de cámaras, a cualquier temperatura.

4. Vidrio celular

Se le denomina espuma de vidrioSe fabrican dos calidades : 125 kg/m3 y 135 kg/m3

Tiene una buena resistencia mecánica, puede ser utilizada en suelos.

Tiene una permeabilidad prácticamente nula.

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EL AISLANTE PERFECTO

El aislante perfecto sería el vacío.

Si no hay nada para transferir el calor por conducción o por convección a través de un cierto espacio, y si se añade una protección frente al calor radiado, no habrá ningún flujo de calor.

Por supuesto, el coste y las dificultades técnicas de mantener un espacio hermético alrededor de un recinto, para poder el vacío en el son prohibitivos, salvo en aparatos pequeños como los termos.

El aire y otros gases tendrían unos buenos valores de aislamiento si se pudieran mantener en reposo.

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Sin embargo, ni el aire ni el gas permanecen en reposo dentro de un determinado espacio, sino que transportan el calor de convección desde el lado caliente hasta el lado frío.

La única forma en que se puede mantener el aire en reposo es dividir ese espacio en un número tan grande de espacios pequeños que el movimiento de cualquier volumen de aire sea despreciable.

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CONSTRUCCIÓN ACTUAL

Los modernos almacenes frigoríficos se construyen con paneles de aislamiento pre-fabricado compuesto por dos chapas de acero galvanizado, aluminio, poliester, cada una de 0.6 mm de espesor.

El espacio entre las chapas se rellena con espuma de poliuretano o situando una capa de poliestireno en el interior.

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En cámaras de congelación o de conservación de productos en estado congelado las pérdidas de calor están limitadas en torno a 6-7 kcal/m2.h

En la práctica diaria el cálculo del grosor de aislamiento es elegido de tal forma que las pérdidas por transmisión de calor estén limitadas entre 8-9 kcal/m2.h para cámaras de refrigeración.

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PRECIOS DE LOS AISLANTES

Desde los más baratos a los más caros se clasifican:

Lana de vidrio

Poliestireno expandidoCorcho

Poliuretano (PUR)

Espuma de vidrio

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Detalle constructivo de un suelo aislado

Barrera de vapor: láminas de polietileno, láminas de aluminio, chapas metálicas

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Aislamiento de un suelo para cámaras de baja temperatura

Vacío sanitario:

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Menor superficie a aislarMenor volumen a enfriar.

Mayor variación de la temperatura

Lo opuesto a lo anterior

Tipos de construcciones

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COSTE DE LA REFRIGERACIÓN

Esta formado por dos partes:

a) El coste de enfriar el producto

b) El coste de mantener la temperatura de refrigeración

No puede cambiarse, salvo intentando buscar un proveedor de energía más barato.

Es directamente proporcional a la transmisión de calor, que a su vez es proporcional al espesor del aislante.

Cuanto más grueso sea el aislamiento, más caro será el equipo, pero menores serán los costes de operación.

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Espesores recomendados del aislamiento basados en corcho

Hay que tomar en cuenta que los equipos domésticos (refrigeradoras y congeladoras) tienen que poder entrar a través de una puerta normal de un domicilio. Por tanto hay que llegar a un compromiso entre las limitaciones de espacio y los estándares recomendados del aislamiento. Esto hace que, en algunos casos resulte conveniente utilizar algunos aislamientos sintéticos con un bajo valor de conductividad térmica.

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Diseño de cámaras frigoríficas Cálculo de carga térmica

I. Objetivo

El objetivo de determinar la carga térmica es poder calcular la potencia frigorífica necesaria para cubrir las necesidades de la instalación

La determinación de la carga térmica también nos permite elegir :

Compresor ó compresoresEvaporador ó evaporadoresCondensador

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1. Régimen de trabajo (continúo ó intermitente)

2. El clima (en verano ó invierno)

3. Tipo, cantidad y estado del producto a su entrada a la instalación.

4. Calor especifico del producto

5. Calor de respiración del producto.

6. Renovaciones de aire precisas.

7. Calor introducido en el recinto por abertura de puertas.8. Presencia o entrada de personal en el recinto.9. Calor introducido por iluminación.10. Calor introducido en los desescarches de los evaporadores..

iiT QQ

La necesidad de la instalación será función de:

TQ Potencia frigorífica total.

iQPotencia frigorífica atribuible a distintas aportaciones.

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2.1 Cálculo de la carga térmica debida a las pérdidaspor transmisión por paredes, techo y suelo )( 1Q

1Q U.S. ΔT

1Q calor total que atraviesa el cerramiento por unidad de tiempo ( kcal /h).

U =Coeficiente global de transmisión de calor, es función de los materiales utilizados en el cerramiento (kcal/ . h . )2m C0

S =Superficie de cerramiento ( ).2m

Diferencia de temperatura entre el exterior y el interior

c

ºc

II. Cálculo del balance térmico

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ii

i

eU

111

,e i Coeficientes globales de transmisión de calor por convección, en la cara externa e interna, respectivamente, del cerramiento (Kcal/ )2m

i Espesor de cada uno de los materiales que componen el cerramiento m

iConductividad térmica de cada uno de los materialesQue componen el cerramiento (Kcal/m.h ºc)

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CONSTRUCCIÓN DE PARED CON DIVERSOS AISLANTES

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Coeficiente de convección para algunos casos particulares

Condiciones Coeficiente de convección (Kcal/m2hºC)

Aire en calma 5-8

Viento de 12 km/h 20

Viento de 24 km/h 29

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En el caso de la utilización de paneles sandwich, se suele despreciar el espesor de cada una de las capas que forman el paramento, a excepción de la capa aislante.

ia

a

eU

111

.Uq

q Pérdida de calor a través del cerramiento (w/ ó kcal/h )2m 2m

U =coeficiente global de transmisión de calor a través del cerramiento (W/ ºC ó kcal/ h ºC)2m

2m

= Salto térmico ( te- ti)Te exterior (varía)

Ti interior (cte)

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1º MÉTODO

SUPERFICIE ORIENTACIÓN TEMPERATURA

Paredes Norte 0,6 tec.

Sur tec ( tec+ 5)

Este 0.8 tec

Oeste 0,9 tec ( tec+8)

Techo tec+ 12

Suelo ( tec+15)/2

tec= temperatura exterior de cálculo.

Temperatura en los distintos paramentos según su situación

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Para encontrar “ tec” (temperatura exterior de cálculo )se han desarrollado fórmulas empíricas que tratan de evitar que se sobredimensionen la instalación frigorífica, cuando se considera la temperatura máxima exterior.

tec= 0.4 + 0.6

mediat

mediat máximat

= Tº media del mes más cálido de funcionamiento de la instalación frigorífica (ºC)

mediat

màximat Tº máxima del mes más cálido de funcionamiento de la instalación frigorífica.

Las temperaturas de diseño pueden obtenerse acudiendo a los institutos metereológicos, a los periódicos locales o a los manuales de refrigeración o aire acondicionado.

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Algunos autores consideran estos valores:

Temperatura de techos próximos a la cubierta de la nave. = 50ºCTemperatura de techos alejados de la cubierta con buena circulación. = 30ºCTemperaturas de paredes interiores o intermedias. =25-30ºCTemperatura exterior sin distinción de orientación. =36ºCTemperatura en el suelo. =18ºC

1Q

La carga calorífica en la superficie de una cierta pared setá distinta si se encuentra a la sombra o al sol.

Será distinta si está en el sótano frío o en una cocina caliente.

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24..1 sqQ 24...1 SUQ

Una vez fijado el valor de “q” (kcal/h ), se pueden calcular las pérdidas por transmisión, (kcal/día)

2m1Q

Otra forma de calcular Q1 es:

X

TTKAQ

)12.(.1

A= área.K= conductividad térmicaT2= temperatura en el lado caliente

T1= temperatura en el lado frío

X=espesor

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Conductividad térmica de los materiales.

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Es la debida a aquellas renovaciones que técnicamente son aconsejables para la buena conservación del producto.El aire de las cámaras con Tº de trabajo al punto de congelación debe renovarse por aire fresco.Los productos almacenados desprenden gases como etileno, CO2 y otros, ejerciendo una influencia negativa para la conservación, por lo que deben ser eliminados del ambiente de la cámara.

El número de renovaciones técnicas puede variar entre 1-5 veces el volumen total de la cámara cada 24 horas.

2.2 Cálculo de la carga térmica debida a las necesidades por renovación de aire

Se divide en 2:

a) Carga térmica debida a las necesidades por renovacióntécnicas de aire

2Q

1,2Q

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))((1,2 hmQ a

))(..(1,2 hnvQ

ma = masa de aire

V = volumen del recinto

= densidad media del aire entre las condiciones exteriores e interiores

n = número de renovaciones técnicas

h =Diferencia de entalpías entre el aire exterior e interior.

1,2Q La carga térmica debida a las renovaciones técnicas de aire será:

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b) Carga térmica debida a las necesidades por renovaciones equivalentes de aire (Q2,2)

Es aquella carga térmica obtenida en función de las pérdidas por infiltraciones, según el volumen de la cámara y el número de veces que se abren las puertas dependiendo también del nivel de temperatura del recinto frigorífico.

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ma = masa de aire infiltrado (kg/día)

V = volumen del recinto o volumen de aire infiltrado (m3)

φ = densidad media del aire entre las condiciones exteriores e interiores (kg/m3)

d = número de renovaciones equivalentes (renovaciones/día)

Δh= diferencia de entalpías entre el aire exterior y el aire interior

b) Carga térmica debida a las necesidades por renovaciones equivalentes de aire (Q2,2)

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Otra manera de calcular la carga térmica debida a las necesidades por renovaciones equivalentes de aire (Q2,2).

a) Según Tamm

Esta en función a las dimensiones de la puerta y al tiempo de abertura.

hHAQ

i

ei ).1(...

31

2,2

= tiempo de apertura de la puerta en horas (24h)i = densidad del aire interior (kg/m3)

e = densidad del aire exterior (kg/m3)A = área de la puerta (m2)H = altura de la puerta (m)Δh= diferencia de entalpías entre el aire exterior y el aire interior (kJ/kg)

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En la ecuación de Tamm, el volumen de aire que penetra en el recinto frigorífico por apertura de la puerta (m3/s) se calcula como:

)1(..31

i

eHAV

ma =masa del aire = iV ..

))((072.04.

THHa

V

a= ancho de la puerta (1.2-2.0 m)H= altura de la puerta (2.2-3.5 m)

ΔT =diferencia de temperatura (exterior menos interior) ºC

V= volumen del aire (m3/s)

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Posteriormente Fritzche y Lilienblum establecieron un factor de corrección (K) de la ecuación anterior:

)(004.048.0 ie TTK

2,22,2 .' QKQ Siendo:

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2.3) Cálculo de la carga térmica debida a las pérdidas por refrigeración y/o congelación (Q3)

Es el cálculo de mayor incidencia de la potencia frigorífica.

Congelación o no del producto

Tiempo que debe ser refrigerado o congelado

Cantidad del producto a refrigerar o congelar

f

3,32,31,33 QQQQ Q3,1= carga térmica debida a la refrigeración del producto (kcal/día)

Q3,2= carga térmica de congelación (kcal/día)

Q3,3= carga térmica de enfriamiento del producto desde la temperatura de congelación, hasta la temperatura de conservación en estado congelado (kcal/día)

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).(. 11,3 ri TTCpmQ

m= masa de producto a refrigerar (kg/día)

Cp1= calor especifico del producto antes de su congelación (kcal/kgºC)

Ti=temperatura de entrada del producto (ºC)

Tr=temperatura de refrigeración del producto (ºC)

Tc=temperatura de congelación del producto (ºC)

Q3,1= carga térmica debida a la refrigeración del producto (kcal/día)

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Cp1

Por tabla ó

1004.01

1

baCp

a= % de agua en el productob= % de materia sólida

Calor especifico del producto antes de la congelación (Cp1)

Cp H20= 1 kcal/kgºC

Cp sustancia orgánica= 0.4 kcal/kgºC

40

cLmQ .2,3

m= masa del producto a congelar (kg/día)

Lc= calor latente de congelación (kcal/kg)

Q3,2= carga térmica de congelación (kcal/día)

Lc

Por tabla ó

100.80 a

Lc

a= % de agua en el producto = calor latente de solidificación del agua : 80 kcal/kg

41

).(. 23,3 fc TTCpmQ

m= masa de producto a conservar en estado congelado (kg/día)

Cp2= calor especifico del producto después de su congelación (kcal/kgºC)

Tc=temperatura de congelación del producto (ºC)

Tf= temperatura de conservación del producto en estado congelado (ºC)

Q3,3= carga térmica de enfriamiento del producto desde la temperatura de congelación, hasta la temperatura de conservación en estado congelado (kcal/día)

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Cp2

Por tabla ó:

1004.05.0

2

baCp

a= % de agua en el productob= % de materia sólida

Calor especifico del producto después de la congelación (Cp2)

Cp hielo = 0.5 kcal/kgºC

Cp materia orgánica = 0.4 kcal/kgºC

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¿Si el producto esta embalado?

Será necesario calcular las necesidades térmicas para el enfriamiento del embalaje (Qe)

).(. feieeee TTCpmQ

me = masa del embalaje (kg/día)Cpe = calor especifico del material del embalaje (kg/kgºC)

Tie = temperatura de entrada del embalaje (ºC)Tfe = temperatura final de enfriamiento del embalaje (ºC)

Se puede calcular con la fórmula anterior óSe puede suponer del 10-15% de Q3

Qe

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2.4) Cálculo de la carga térmica debida a las necesidades de conservación de los productos (Q4)

Las frutas y hortalizas durante su periodo de almacenamiento respiran y desprenden calor, por tanto hay una necesidad de extraer este calor para garantizar la temperatura idónea de la cámara.

))((4 rCmQ

m= cantidad de producto almacenado en la cámara (toneladas)

Cr= calor de respiración (kcal/tn. día)

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En el caso de que se trate de un producto en fermentación “C r” representará el calor de fermentación (kcal/tn.día).

Cuando ambos fenómenos se den simultáneamente en el producto conservado:

Cr = calor de respiración + calor de fermentación

Los valores de Cr se pueden obtener por tabla o determinar matemáticamente.

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2.5) Cálculo de la carga térmica debida al calor desprendido por ventiladores (Q5).

Este cálculo pretende obtener el equivalente calorífico del trabajo realizado por los motores instalados en el evaporador (ventiladores, bombas de circulación de líquido).

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))()(630(5 NPQ 630 kcal/cv

P=potencia unitaria de los motores (cv)N=número de horas al día de funcionamiento de los motores.

))()(860(5 NPQ 860 kcal/kw

P=potencia unitaria de los motores (kw)N=número de horas al día de funcionamiento de los motores.

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Estimación de Q5, cuando no se conoce a priori los equipos a utilizar.

Q5 = 5-8% (Q1+Q2+Q3)

Q5 = 10-15 kcal/(m3.día)

Q5 = 0.145 W/(m3)

f (volumen de la cámara)

Cálculo del calor desprendido por los ventiladores de los evaporadores:

V = volumen de la cámara o recinto (m3)

C = calor desprendido por los ventiladores (kcal/m3.día)

Q5 = V.C

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2.6) Cálculo de la carga térmica debida al calor desprendido por circulación de operarios en las cámaras (Q6).

Q6 = n.c.N

n = número de personas en el recinto frigorífico

c = calor emitido por cada operario (kcal/h)

N = tiempo de permanencia en el interior de la cámara o recinto (horas/día)

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2.7) Cálculo de la carga térmica debida a las nuevas necesidades por iluminación (Q7)

Q7 = (860 kcal/kw)(P)(N)

P = potencia de las luminarias en kw.

N = tiempo de funcionamiento (horas/día)

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2.8) Cálculo de la carga térmica debida a las necesidades por pérdidas diversas (Q8)

Calor por convección y radiación de los aparatos y tuberías por donde circula el fluido frigorífico.

Carga térmica debido al descarche de los evaporadoresEstantería móvil, cuadros eléctricos interioresCarretillas eléctricas

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Q8 = α (Q1 + Q2 + Q3)

α = coeficiente (0.1-0.15)

Q1 = carga térmica por transmisión (kcal/dia)

Q2 = carga térmica por renovación de aire (kcal/dia)

Q3 = carga térmica por refrigeración y/o congelación (kcal/dia)

Producción de frío total:

QT = Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7+Q8