Evaluación de alternativas sobre dispositivos de...

Universidad Distrital Francisco José de Caldas Carrera 7 No. 40B - 53

Bogotá D.C. - República de Colombia Facultad de Ingeniería, Proyecto Curricular de Ingeniería Industrial

TRABAJO DE GRADO

Presentada por:

Andrés Felipe ROJAS LÓPEZ

(COD: 20131015076)

Eliana Vanessa BURGOS CARDOZO (COD: 20131015068)

Para obtener el título de

INGENIERO INDUSTRIAL

Tema del proyecto:

Evaluación de alternativas sobre dispositivos de refrigeración con fuentes de energía no convencional para las zonas no

interconectadas de Colombia

(Evaluation of alternatives on refrigeration devices with non-conventional energy sources for the non-interconnected zones of Colombia)

Sustentada de manera pública el día 21 de febrero de 2019, con la comisión de evaluación compuesta por:

Ing. Julian TRISTANCHO PhD Director del proyecto Ing. Gilberto ENCINALES MSc Jurado

ii

Tabla de Contenido

Tabla de Contenido ................................................................................................................. ii

Resumen ................................................................................................................................ vi

Abstract ............................................................................................................................... viii

Dedicatoria ............................................................................................................................. x

Agradecimientos .................................................................................................................... xi

Lista de figuras ...................................................................................................................... xii

Lista de tablas ....................................................................................................................... xiv

Glosario ................................................................................................................................. xvi

Nomenclatura ...................................................................................................................... xvii

Capítulo 1. Planteamiento del proyecto ......................................................................... 18

1.1. Introducción ..................................................................................................................... 18

1.2. Justificación ...................................................................................................................... 19

1.3. Objetivos .......................................................................................................................... 21

1.4. Metodología ..................................................................................................................... 23

Capítulo 2. Caracterización de las ZNI ............................................................................ 25

2.1. Introducción ..................................................................................................................... 25

2.2. Ubicación y distribución de usuarios en las ZNI .............................................................. 25

2.3. Problemas de desarrollo en ZNI ....................................................................................... 27

2.4. Entidades a cargo y fondos de inversión ......................................................................... 28

2.5. Prestación de energía ...................................................................................................... 29

2.6. Proyectos de expansión de cobertura ............................................................................. 30

2.7. Características regionales ................................................................................................ 31

2.7.1. Región Pacífica .......................................................................................................................... 32

2.7.2. Región Amazónica .................................................................................................................... 33

2.7.3. Región Insular ........................................................................................................................... 34

2.7.4. Región Orinoquía ...................................................................................................................... 35

2.7.5. Región Andina ........................................................................................................................... 36

2.7.6. Región Caribe ............................................................................................................................ 36

iii

2.8. Análisis comparativo entre regiones ............................................................................... 37

2.9. Necesidades de refrigeración en las ZNI .......................................................................... 39

2.10. La Seguridad Alimentaria ................................................................................................. 40

2.11. Aplicaciones específicas de la refrigeración .................................................................... 43

2.11.1. La refrigeración de alimentos .............................................................................................. 43

2.11.2. La pesca y la acuicultura ...................................................................................................... 45

2.11.3. La refrigeración de vacunas ................................................................................................. 46

2.12. Árbol de problemas y árbol de soluciones sobre la refrigeración ................................... 48

Capítulo 3. Marco teórico y referencial .......................................................................... 53

3.1. Introducción ..................................................................................................................... 53

3.2. Fuentes no convencionales de energía ........................................................................... 53

3.2.1. Energía eólica............................................................................................................................ 54

3.2.2. Energía solar ............................................................................................................................. 55

3.2.3. Energía con biomasa ................................................................................................................. 57

3.2.4. Energía geotérmica ................................................................................................................... 59

3.3. Tecnologías de refrigeración con fuentes de energía no convencional .......................... 61

3.3.1. Refrigeración por compresión mecánica o de vapor ................................................................ 62

3.3.2. Refrigeración impulsada por sorción de calor .......................................................................... 63

3.3.3. Refrigeración termoeléctrica .................................................................................................... 66

3.3.4. Refrigeración Stirling ................................................................................................................ 67

3.3.5. Otras tecnologías de refrigeración ........................................................................................... 68

3.4. Proyectos de refrigeración usando fuentes de energía no convencional ....................... 71

3.4.1. SolarChill ................................................................................................................................... 71

3.4.2. SunDanzer ................................................................................................................................. 72

3.4.3. Dulas ......................................................................................................................................... 73

3.4.4. Máquinas de Hielo ISAAC ......................................................................................................... 74

3.4.5. Solaref ....................................................................................................................................... 76

3.5. Elección de la tecnología de refrigeración ....................................................................... 76

3.5.1. Despliegue de la función de calidad QFD ................................................................................. 76

3.5.2. Análisis jerárquico de decisión ................................................................................................. 78

Capítulo 4. Desarrollo metodológico .............................................................................. 80

4.1. Introducción ..................................................................................................................... 80

4.2. Variables e indicadores técnicos de evaluación .............................................................. 80

4.3. Comparativa entre las tecnologías de refrigeración ........................................................ 84

4.4. Análisis competitivo entre las tecnologías de refrigeración ............................................ 91

iv

4.5. Selección de la tecnología de refrigeración ..................................................................... 96

4.6. Caracterización básica de funcionamiento del dispositivo de refrigeración ................. 104

4.7. Proceso de diseño para la definición de parámetros .................................................... 107

4.8. Cálculo de parámetros ................................................................................................... 111

4.8.1. Cálculo de la carga total de enfriamiento ............................................................................... 114

4.8.2. Calor de generación ................................................................................................................ 116

4.8.3. Volumen del tanque de almacenamiento .............................................................................. 119

4.8.4. Calor de pérdida en el tanque ................................................................................................ 120

4.8.5. Área del colector solar ............................................................................................................ 121

4.8.6. Coeficiente de rendimiento COP ............................................................................................ 121

4.8.7. Plano del dispositivo ............................................................................................................... 122

4.9. Análisis de sensibilidad .................................................................................................. 124

4.10. Simulación del modelo .................................................................................................. 128

4.11. Cálculo del costo y comparación con otros dispositivos similares ................................ 136

4.12. Variaciones del diseño según departamento ................................................................ 141

Capítulo 5. Conclusiones ............................................................................................... 146

5.1. Conclusiones .................................................................................................................. 146

5.2. Recomendaciones .......................................................................................................... 149

Referencias bibliográficas ................................................................................................... 150

Anexos................................................................................................................................. 165

Anexo 1. Inversión en proyectos por parte del IPSE entre el periodo 2014 - 2018.................... 165

Anexo 2. Prestación de energía en localidades con y sin telemetría.......................................... 165

Anexo 3. Inversión privada requerida en proyectos de expansión ............................................ 168

Anexo 4. Proporción de municipios pertenecientes a las ZNI por departamento. .................... 169

Anexo 5. Proporción de necesidades básicas insatisfechas en los departamentos con ZNI ...... 170

Anexo 6. Defunciones de menores de un año por cada mil nacidos vivos en los departamentos

de Colombia ................................................................................................................................ 171

Anexo 7. Distribución del uso del suelo en los departamentos principales con ZNI .................. 172

Anexo 8. Gráficos de productos agrícolas cultivados por hectáreas .......................................... 173

Anexo 9. Mapa del estado de la información pesquera en Colombia ........................................ 176

v

Anexo 10. Tasa de vacunación BCG y Pentavalente en los departamentos con ZNI. ................. 177

Anexo 11. Mapa densidad energía eólica ................................................................................... 178

Anexo 12. Mapa de irradiación solar ......................................................................................... 179

Anexo 13. Mapa potencial energético utilizando biomasa ........................................................ 180

Anexo 14. Relación de consistencia de las matrices del análisis jerárquico de decisión ........... 181

Anexo 15. Propiedades del agua ................................................................................................ 182

Anexo 16. Calor específico del agua .......................................................................................... 183

Anexo 17. Calor específico de diferentes sustancias .................................................................. 184

Anexo 18. Punto de fusión y ebullición para varias sustancias ................................................. 185

Anexo 19. Propiedades del refrigerante amoniaco ................................................................... 186

Anexo 20. Diagrama de presión vs temperatura en solución acuosa de amoniaco .................. 187

vi

Resumen

En el presente documento se desarrolla un análisis sobre las tecnologías de refrigeración que

funcionan a partir de fuentes no convencionales de energía con el propósito de identificar la

tecnología más adecuada para las Zonas No Interconectadas de Colombia (ZNI), las cuales son

regiones en el país que no pertenecen al Sistema Interconectado Nacional (SIN) y que por lo tanto

presentan dificultades con el acceso a la energía eléctrica. El propósito principal de esta

investigación es la caracterización de un dispositivo de refrigeración ideal y adaptable al contexto de

las ZNI en Colombia.

En primer lugar, es importante resaltar que el presente trabajo se enfoca en una propuesta para

solucionar una problemática específica de las ZNI, ya que a pesar de que el proyecto de

energización de las zonas es prioritario, existen numerosas barreras que han impedido cumplir con

este objetivo, teniendo que, de acuerdo con diversos proyectos gubernamentales, se calculan

importantes inversiones de dinero y tiempo para cumplir con la universalización de la energía en el

país.

A continuación, se describe el contenido de cada uno de los capítulos desarrollados:

En el Capítulo 1 se realiza una presentación sobre el planteamiento del proyecto, identificando la

pregunta de investigación principal, así como el objetivo general y los cuatro objetivos específicos

junto con la localización del logro en el documento. También se describe la metodología de

investigación.

En el Capítulo 2 se desarrolla una caracterización de las ZNI a partir de revisión bibliográfica,

estableciendo un marco de información para identificar la importancia del proceso de refrigeración en

relación con las necesidades de los habitantes de las ZNI sobre tres ejes: económico, social y salud.

Se describen los principales problemas y limitaciones, los proyectos de inversión, las características

particulares en cada región según los tres ejes de investigación y las necesidades principales en

relación con las limitaciones en el acceso a la refrigeración. Al finalizar se presenta un árbol de

problemas representativo que permite visualizar las causas y consecuencias alrededor de las

limitaciones técnicas para refrigerar y congelar productos perecederos. Así mismo se presenta un

árbol de soluciones en el cual se plantean los objetivos para la mitigación de las consecuencias

problemáticas principales.

En el Capítulo 3 se presenta un marco teórico y referencial sobre fuentes no convencionales de

energía (FNCE) y tecnologías de refrigeración. Sobre las FNCE se identifican sus principales

vii

ventajas y desventajas, así como los principales usos en Colombia y en el mundo. Luego se

identifican las principales tecnologías de refrigeración adaptables a las condiciones de las zonas

aisladas a la red de energía eléctrica, entre las cuales se identifican cinco principales: compresión,

absorción, adsorción, termoeléctrica y Stirling. Se realiza una descripción sobre el ciclo de

funcionamiento de cada una de ellas, así como algunos casos de éxito en contextos similares al de

la presente problemática. Se identifican también las principales variaciones técnicas para la

evaluación de cada tecnología, así como también se describen los conceptos teóricos sobre la Casa

de la Calidad (perteneciente al Despliegue de la Función de Calidad) y el Análisis Jerárquico de

Decisión, como metodologías de análisis y selección.

En el Capítulo 4 se realiza el desarrollo metodológico del proyecto iniciando con el establecimiento

de 14 variables técnicas consideradas fundamentales para la caracterización de cada tecnología, de

manera que sirviesen de base para la realización de una comparación cuantitativa entre cada una de

ellas. Posteriormente se desarrolla un análisis comparativo entre las tecnologías principales de

refrigeración (tecnologías de compresión, absorción, adsorción, termoeléctrica y Stirling) empleando

los dos tipos de herramientas de análisis y selección. En primer lugar, se procede con la aplicación

de la Casa de la Calidad a partir de lo cual se obtienen valoraciones cuantitativas al relacionar

requerimientos técnicos con las necesidades de la población. Con esta información se procede a

realizar el Análisis Jerárquico de Decisión según lo cual la tecnología de absorción con

funcionamiento a partir de energía solar obtiene el mayor puntaje. Posteriormente se definen y

calculan parámetros para un dispositivo de refrigeración por absorción con ciclo intermitente con

suministro energético de colector solar de placa plana. Se realiza un análisis de sensibilidad sobre

las variables principales en el diseño con el objeto de observar su comportamiento en función de las

demás. También se desarrolla una validación matemática del diseño a través del software de

simulación de procesos químicos Aspen Hysys V9. Se presenta un esquema con los componentes y

dimensiones aproximadas del dispositivo a través de la herramienta CAD (Diseño asistido por

computador por sus siglas en inglés) SolidWorks. Se realiza una evaluación económica de

producción aproximada del dispositivo, para posteriormente comparar el diseño con otros

dispositivos similares en el mercado. Finalmente se presentan las posibles variaciones técnicas en el

dispositivo según las características climatológicas (temperatura ambiente e irradiación) de cada

región en ZNI.

Los resultados de este trabajo son útiles para el desarrollo de prototipos finales de refrigeración por

absorción basados en el dispositivo propuesto, así como la formulación de proyectos de

implementación y difusión de esta tecnología, lo cual puede ser de interés para entidades

gubernamentales interesadas en el desarrollo de soluciones que mejoren la calidad de vida de los

habitantes de las ZNI. Los resultados son también de utilidad para investigaciones interesadas en el

mejoramiento de tecnologías de refrigeración particulares, al considerar sus principales ventajas y

desventajas aquí descritas, en relación con su demanda en contextos fuera de la red.

viii

Abstract

In this document, an analysis is developed on refrigeration technologies that work from

unconventional sources of energy with the purpose of identifying the most appropriate technology for

the Non-Interconnected Zones of Colombia (ZNI), which are regions in the country. They do not

belong to the National Interconnected System (SIN) and therefore have difficulties with access to

electricity. The main purpose of this research is the characterization of an ideal refrigeration device

that can be adapted to the context of the ZNI in Colombia.

First, it is important to highlight that this work focuses on a proposal to solve a specific problem of the

ZNI, since despite the fact that the energization project of the zones is a priority, there are numerous

barriers that have prevented compliance with this objective, having that, in agreement with diverse

governmental projects, important investments of money and time are calculated to fulfill with the

universalization of the energy in the country.

Next, the content of each one of the developed chapters is described:

In Chapter 1 a presentation is made on the project approach, identifying the main research question,

as well as the general objective and the four specific objectives together with the location of the

achievement in the document. The research methodology is also described.

In Chapter 2 a characterization of the ZNI is developed from a bibliographic review, establishing an

information framework to identify the importance of the refrigeration process in relation to the needs

of the inhabitants of the ZNI on three axes: economic, social and health. The main problems and

limitations are described, the investment projects, the characteristics in each region according to the

three research axes and the main needs in relation to the limitations in access to refrigeration. At the

end a representative problem tree is presented that allows to visualize the causes and consequences

around the technical limitations to refrigerate and freeze perishable products. Likewise, a tree of

solutions is presented in which the objectives for the mitigation of the main problematic

consequences are presented.

Chapter 3 presents a theoretical and referential framework on unconventional energy sources

(FNCE) and refrigeration technologies. The main advantages and disadvantages of the FNCE are

identified, as well as the main uses in Colombia and in the world. Then, the main refrigeration

technologies adaptable to the conditions of the isolated areas to the electric power grid are identified,

among which five main ones are identified: compression, absorption, adsorption, thermoelectric and

Stirling. A description is made of the cycle of operation of each of them, as well as some success

stories in contexts like the present problem. The main technical variations for the evaluation of each

ix

technology are also identified, as well as the theoretical concepts about the House of Quality

(pertaining to the Deployment of the Quality Function) and the Hierarchical Decision Analysis, as

methodologies of analysis and selection.

In Chapter 4, the methodological development of the project is carried out, starting with the

establishment of 14 technical variables that are considered fundamental for the characterization of

each technology, so that they serve as a base for the realization of a quantitative comparison

between each of them. Subsequently, a comparative analysis is developed between the main cooling

technologies (compression, absorption, adsorption, thermoelectric and Stirling technologies) using

the two types of analysis and selection tools. First, we proceed with the application of the House of

Quality from which quantitative assessments are obtained by relating technical requirements with the

needs of the population. With this information we proceed to perform the Hierarchical Decision

Analysis according to which the absorption technology with solar energy operation obtains the

highest score. Subsequently, parameters are defined and calculated for an absorption refrigeration

device with an intermittent cycle with energy supply from a flat plate solar collector. A sensitivity

analysis is carried out on the main variables in the design in order to observe their behavior

according to the others. A mathematical validation of the design is also developed through the

chemical process simulation software Aspen Hysys V9. A schematic with the components and

approximate dimensions of the device is presented through the CAD tool (Computer-aided Design)

SolidWorks. An economic evaluation of approximate production of the device is made, to later

compare the design with other similar devices in the market. Finally, the possible technical variations

in the device according to the climatological characteristics (ambient temperature and irradiation) of

each region in ZNI are presented.

The results of this work are useful for the development of final prototypes of refrigeration by

absorption based on the proposed device, as well as the formulation of implementation projects and

dissemination of this technology, which may be of interest to government entities interested in the

development of solutions that improve the quality of life of the inhabitants of the ZNI. The results are

also useful for research interested in the improvement of cooling technologies, considering their main

advantages and disadvantages described here, in relation to their demand in contexts outside the

network.

x

Dedicatoria

Dedicado a madre María Beatriz, mujer de valores y virtudes

ejemplares. A mis familiares y a mis amigos, por su

acompañamiento y apoyo en mi proceso de formación. A la

Universidad Distrital F. J. C., por brindarme a mí y a la sociedad

espacios y recursos para el aprendizaje, la investigación y la

reflexión dentro de los saberes de la ciencia, a favor del desarrollo

como profesionales y seres humanos.

Andrés Felipe Rojas López

Dedicado a mi mamá y mi papá por el esfuerzo que hicieron para

que yo pudiera estudiar, y a los profesores que enseñan con

dedicación, amor y respeto.

Eliana Vanessa Burgos Cardozo

xi

Agradecimientos

Agradecemos a cada uno de nuestros familiares y amigos por ser una fuente de motivación y de

apoyo incondicional tanto en el desarrollo del presente proyecto como de nuestro proceso de

formación como Ingenieros Industriales. Agradecemos también a nuestro docente director, el Dr.

Julián Tristancho, por aportar su conocimiento y experiencia en la asesoría y el desarrollo del

proyecto. Finalmente agradecemos a la Universidad Distrital F. J. C. centro de producción y

reproducción del conocimiento, la cual nos brindó los espacios, los recursos y las herramientas

necesarias para nuestra formación en la excelencia como profesionales, ingenieros, ciudadanos y

seres humanos promotores de valores y saberes.

xii

Lista de figuras

Figura 1. Localización de usuarios en las ZNI según el Centro Nacional de Monitoreo (CNM). ........ 26

Figura 2. Distribución de usuarios en ZNI por departamento. ............................................................ 27

Figura 3. Diagrama causal del problema de desarrollo de las comunidades rurales aisladas no

interconectadas.................................................................................................................................. 28

Figura 4. Proporción de inversión requerida y VSS beneficiadas a través de soluciones de

energización por soluciones aisladas e interconexión al SIN. ............................................................ 31

Figura 5. Toneladas desechadas por producto anualmente en Colombia. ........................................ 41

Figura 6. Toneladas desechadas por etapa anualmente en Colombia. ............................................. 41

Figura 7. Árbol de problemas sobre la problemática de refrigeración en ZNI. ................................... 50

Figura 8. Árbol de objetivos alrededor la problemática de refrigeración en ZNI. ................................ 52

Figura 9. Esquema de componentes para la generación de energía eólica. ..................................... 55

Figura 10. Esquema de componentes de un sistema solar fotovoltaico ............................................ 56

Figura 11. Esquema de componentes de un sistema de energía solar térmica. ................................ 56

Figura 12. Central de cogeneración mediante biomasa ..................................................................... 58

Figura 13. Yacimiento geotérmico de alta temperatura. .................................................................... 60

Figura 14. Representación de un sistema de refrigeración por compresión de vapor. ...................... 62

Figura 15. Ciclo básico de refrigeración por absorción. ..................................................................... 64

Figura 16. Componentes de un refrigerador solar por adsorción. ...................................................... 65

Figura 17. Componentes en un refrigerador termoeléctrico. .............................................................. 67

Figura 18. Diagrama de un refrigerador Stirling ................................................................................. 68

Figura 19. Ciclo de refrigeración por eyector. .................................................................................... 69

Figura 20. Diagrama de partes de un sistema de refrigeración magnética. ....................................... 70

Figura 21. Diagrama esquemático de una onda de sonido en un refrigerados termoacústico. .......... 71

Figura 22. Diagrama (izquierda) y fotografía real (derecha) del dispositivo Solarchill: refrigerador por

accionamiento solar directo. .............................................................................................................. 72

Figura 23. Instalación de tres unidades de máquinas de hielo ISAAC en la ciudad de Kilifi (Kenia). 75

Figura 24. Diagrama de ciclo de funcionamiento de la máquina de hielo ISAAC durante el día

(izquierda) y durante la noche (derecha). .......................................................................................... 75

Figura 25. Partes principales en la Casa de la Calidad. .................................................................... 77

Figura 26. Aplicación de la Casa De La Calidad para el análisis de las tecnologías de refrigeración.

Fuente: Elaboración propia ................................................................................................................ 95

Figura 27. Esquema del ciclo de refrigeración por absorción intermitente para el diseño del

dispositivo. ....................................................................................................................................... 105

Figura 28. Esquema de componentes del sistema intermitente de refrigeración por absorción. ..... 106

Figura 29. Plano del refrigerador por absorción propuesto. ............................................................. 123

xiii

Figura 30. Variación del área del colector solar y el coeficiente de rendimiento en función de la carga

de enfriamiento ................................................................................................................................ 124

Figura 31. Variación del área del colector solar y el coeficiente de rendimiento en función del espesor

de la cámara de enfriamiento........................................................................................................... 125

Figura 32. Variación de la masa de la masa de fluido secundario y en el volumen del tanque de

refrigerante en función del espesor de la cámara frigorífica. ........................................................... 126

Figura 33. Variación del área del colector solar y el COP en función de la temperatura ambiente

manteniendo el espesor constante .................................................................................................. 127

Figura 34. Variación del espesor de la cámara de enfriamiento y el COP manteniendo constante el

área del colector solar ...................................................................................................................... 128

Figura 35. Simulación del ciclo de refrigeración por absorción en Aspen Hysys V9 según diseño

propuesto. ........................................................................................................................................ 129

Figura 36. Resultados de la simulación del ciclo de absorción diseñado a través Aspen Hysys V9.133

Figura 37. Magnitudes aproximadas en el área del colector solar y el COP, por departamento en ZNI

......................................................................................................................................................... 142

Figura 38. Magnitudes aproximadas en el espesor de la cámara frigorífica y el volumen del tanque,

por departamento en ZNI ................................................................................................................. 144

Figura 39. Número de localidades en ZNI con telemetría según horas de prestación de energía diaria

(CM: Cabecera municipal). .............................................................................................................. 166

Figura 40. Prestación de energía diaria en ZNI sin telemetría (de las cuales se tiene información)

según el número de usuarios. (CM: Cabecera municipal) ............................................................... 167

Figura 41. Hectáreas utilizadas para siembra de tubérculos ........................................................... 173

Figura 42. Hectáreas utilizadas para siembra de frutas. .................................................................. 174

Figura 43. Hectáreas utilizadas para siembra de cereales. ............................................................. 174

Figura 44. Hectáreas utilizadas para siembra de flores, verduras, entre otras. ............................... 175

Figura 45. Mapa del estado de la información pesquera en Colombia. ........................................... 176

Figura 46. Mapa de densidad eólica de Colombia. .......................................................................... 178

Figura 47. Mapa de irradiación solar de Colombia. .......................................................................... 179

Figura 48. Mapa de potencial energético utilizando biomasa en el país. ......................................... 180

xiv

Lista de tablas

Tabla 1. Localización de cumplimiento de objetivos específicos. ...................................................... 22

Tabla 2. Comparación entre las características sociales, de salud y económicas entre las regiones

de Colombia con ZNI. ........................................................................................................................ 38

Tabla 3. Consumo de energía para los electrodomésticos en la curva de carga horaria. .................. 40

Tabla 4. Condiciones óptimas y tiempo de conservación de alimentos cultivados y consumidos en las

ZNI. .................................................................................................................................................... 44

Tabla 5. Periodo de conservación de productos de origen animal en refrigeración y congelación. ... 45

Tabla 6. Estabilidad de las principales vacunas en Colombia según temperaturas de conservación. 47

Tabla 7. Irradiación promedio en las regiones de Colombia. ............................................................. 57

Tabla 8. Características dispositivo SunDanzer. ................................................................................ 73

Tabla 9. Características del dispositivo Dulas. ................................................................................... 74

Tabla 10. Cuadro comparativo entre las tecnologías de refrigeración con fuentes no convencionales

de energía. ......................................................................................................................................... 85

Tabla 11. Requerimientos de los usuarios de las ZNI para el dispositivo de refrigeración. ............... 91

Tabla 12. Requisitos técnicos para el dispositivo de refrigeración. .................................................... 92

Tabla 13. Escala de preferencias entre dos aspectos – Análisis Jerárquico de decisión. ................. 96

Tabla 14. Matriz de comparación entre los criterios de decisión (requerimientos de los usuarios),

teniendo en cuenta el peso o importancia según QFD. ..................................................................... 97

Tabla 15. Normalización de la matriz de comparación entre los criterios de decisión. ...................... 98

Tabla 16. Representación simbólica de las tecnologías en matrices de comparación....................... 99

Tabla 17. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de refrigeración de frutas y

verduras. ............................................................................................................................................ 99

Tabla 18. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de refrigeración de carnes. 99

Tabla 19. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de refrigeración de vacunas.

......................................................................................................................................................... 100

Tabla 20. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de bajo consumo energético.

......................................................................................................................................................... 100

Tabla 21. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de alto ciclo de vida. ....... 100

Tabla 22. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de bajo impacto ambiental.

......................................................................................................................................................... 101

Tabla 23. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de bajo costo................... 101

Tabla 24. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de bajo requerimiento de

mantenimiento. ................................................................................................................................ 101

Tabla 25. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de suministro energético no

convencional. ................................................................................................................................... 101

Tabla 26. Resultados finales sobre la comparación competitiva entre las tecnologías de refrigeración

según el Análisis Jerárquico de Decisión. ........................................................................................ 103

xv

Tabla 27. Capacidad de almacenamiento de algunos productos básicos, en una cámara de 64 l .. 112

Tabla 28. Entalpias asociadas a los diferentes estados del refrigerante y el agua en el sistema. ... 119

Tabla 29. Relación entre los componentes del diseño y los componentes empleados en la

simulación. ....................................................................................................................................... 130

Tabla 30. Comparación entre parámetros en el modelo y parámetros de entrada dentro de la

simulación. ....................................................................................................................................... 131

Tabla 31. Comparación entre variables en el modelo y variables de salida en la simulación. ......... 134

Tabla 32. Magnitudes finales en variables modificadas según la simulación en Aspen Hysys V9 .. 135

Tabla 33. Cálculo aproximado del costo del dispositivo teniendo en cuenta materia prima ............. 137

Tabla 34. Valor del indicador 𝑈 para diferentes dispositivos similares al prototipo del proyecto ..... 140

Tabla 35. Variaciones aproximadas en el área del colector solar y el COP por departamento en ZNI

con respecto al modelo desarrollado ............................................................................................... 141

Tabla 36. Variaciones aproximadas en espesor de la cámara frigorífica y el volumen del tanque por

departamento en ZNI con respecto al modelo desarrollado............................................................. 143

Tabla 37. Inversión en proyectos por parte de IPSE en el periodo 2014 - 2018. ............................. 165

Tabla 38. Número de localidades de las ZNI sin telemetría de las cuales se tiene información, según

la prestación del servicio de energía diario ...................................................................................... 167

Tabla 39. Inversión privada (Operadores de Red) para el cubrimiento de necesidades energéticas

por departamento ............................................................................................................................. 168

Tabla 40. Proporción de municipios pertenecientes a las ZNI por departamento ............................ 169

Tabla 41. Proporción de NBI en los departamentos con ZNI ........................................................... 170

Tabla 42. Defunciones de menores de un año por cada mil nacidos vivos en los departamentos de

Colombia .......................................................................................................................................... 171

Tabla 43. Distribución del uso del suelo en los departamentos principales con ZNI ........................ 172

Tabla 44. Distribución del uso del suelo para actividad agropecuaria en los departamentos

principales con ZNI .......................................................................................................................... 173

Tabla 45. Cobertura en vacunación BCG y pentavalente en los departamentos con ZNI. .............. 177

Tabla 46. Resultados relación de consistencia análisis jerárquico .................................................. 181

Tabla 47. Propiedades del agua ...................................................................................................... 182

Tabla 48. Calor específico del agua entre 0°C y 100 °C ................................................................. 183

Tabla 49. Calor específico de diferentes sustancias ........................................................................ 184

Tabla 50. Punto de fusión (𝑃𝐹), calor latente de fusión (𝐿𝑓), punto de ebullición (𝑃𝐸) y calor

latente de vaporización (𝐿𝑣), para varias sustancias a 1 Atm. ....................................................... 185

Tabla 51. Propiedades del refrigerante amoniaco ........................................................................... 186

Tabla 52. Diagrama de presión vs temperatura en solución acuosa de amoniaco .......................... 187

xvi

Glosario

CNM: Centro Nacional de Monitoreo.

COP: Coeficiente de Rendimiento.

DANE: Departamento Administrativo Nacional de Estadística.

DNP: Departamento Nacional de Planeación.

ECV: Encuesta de Condiciones de Vida.

FAO: Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura.

FNCER: Fuentes No Convencionales de Energía Renovable

GEI: Gases de Efecto Invernadero.

IPSE: Instituto de Planificación y Promoción de Soluciones Energéticas para las Zonas No Interconectadas.

MADR: Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural.

MCE: Efecto Magneto Calórico.

MCM: Material Magneto Calórico.

MME: Ministerio de Minas y Energía.

NBI: Necesidades Básicas Insatisfechas.

OCDE: Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos.

OMS: Organización Mundial de la Salud.

PAI: Programa Ampliado de Inmunizaciones.

PCM: Sistemas Termoeléctricos con Material de Cambio de Fase.

PEN: Plan Energético Nacional.

PERS: Planes de Energización Rural Sostenible.

PIEC: Plan Indicativo de Expansión de Cobertura de Energía Eléctrica.

PTSP: Plan Todos Somos PAZcífico.

QFD: Despliegue de la función calidad (Quality Function Deployment).

SEPEC: Servicio Estadístico Pesquero Colombiano.

SIN: Sistema Interconectado Nacional Colombiano.

UPME: Unidad de Planeación Minero-Energética.

VSS: Viviendas Sin Servicio.

xvii

Nomenclatura 𝐴𝐶 : Área del colector solar.

𝐴𝑠: Área de transferencia de calor

𝐶𝑂𝑃: Coeficiente de rendimiento teórico

de un dispositivo de refrigeración.

𝑒: espesor de la pared de la caja de

enfriamiento

𝑓𝑟𝑐: Factor de evacuación de calor del

colector solar

ℎ𝐶𝐴: Entalpia del agua en solución

concentrada

ℎ𝐶𝑅: Entalpia del refrigerante en solución

concentrada

ℎ𝐷𝐴: Entalpia del agua en solución de

concentración débil

ℎ𝐷𝑅: Entalpia del refrigerante en solución

de concentración débil

ℎ𝑒: Coeficiente de convección del

material de las paredes del tanque de

generación.

ℎ𝑅: Entalpia del refrigerante.

hevap: Entalpía del vapor de refrigerante

saturado.

ℎ𝑐𝑜𝑛𝑑: Entalpía del refrigerante líquido

saturado.

𝑘: Conductividad térmica

𝑚: masa

𝑀𝐶 : flujo másico de la solución

concentrada.

��𝐶𝐴: Flujo másico del agua en solución

concentrada.

��𝐶𝑅: Flujo másico del refrigerante en

solución concentrada.

𝑀𝐷: flujo másico de la solución con

concentración débil.

��𝐷𝐴: Flujo másico del agua en solución

de concentración débil.

��𝐷𝑅: Flujo másico del refrigerante en

solución de concentración débil.

��𝑅: Flujo másico del refrigerante.

𝑄𝑓𝑠: Carga de calor del fluido secundario

(𝐻2𝑂)

𝑄𝑖: Carga del producto a enfriar.

𝑄𝐼𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒: Calor incidente en el lugar de

irradiación solar.

𝑄𝐺: Calor de generación.

𝑄𝑃: Ganancia de calor por paredes.

𝑄𝑇: Carga total de enfriamiento.

𝑄𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒: Calor de pérdida a través de las

paredes del tanque de generación.

𝑇𝑎𝑙𝑚: Temperatura de almacenamiento.

𝑇𝐺𝑒𝑛: Temperatura del proceso de

generación.

𝑇𝑜: Temperatura ambiente.

𝑉𝐿𝐴: Densidad volumétrica del agua

𝑉𝐿𝑅: Densidad volumétrica del

refrigerante

𝑉𝑆𝑜𝑙: Densidad volumétrica de la solución

concentrada

𝑋𝐶𝑀: Concentración molar en la solución

concentrada de refrigerante.

𝑋𝐶𝑤: Porcentaje de masa de refrigerante

en la solución concentrada.

𝑋𝐷𝑀: Concentración molar en la solución

de débil concentración de refrigerante.

𝑋𝐷𝑤: Porcentaje de masa de refrigerante

en la solución con concentración débil.

18

Capítulo 1. Planteamiento del proyecto

1.1. Introducción

El servicio público de energía divide al país en dos regiones: el Sistema Interconectado Nacional

(SIN) y las Zonas No Interconectadas (ZNI). El SIN integra el conjunto de redes regionales e

interregionales de transmisión, las redes de interconexión, redes de distribución, plantas y equipos

de generación de energía1. Las ZNI en Colombia son todos los lugares que no se encuentran

interconectadas al SIN2 y que por lo tanto presentan dificultades con el acceso a la energía eléctrica.

Dada la ubicación geográfica que tiene Colombia hay un altísimo potencial para generar energía a

partir de fuentes no convencionales como, por ejemplo, el viento y el sol (ICEX, 2017). Sin embargo,

el país ha desaprovechado esta oportunidad, teniendo zonas actualmente a las que aún no llega el

servicio de energía eléctrica, cuyos habitantes sufren entre otras cosas las consecuencias de no

poder utilizar dispositivos fundamentales como lo son los de refrigeración.

La tecnologías de refrigeración pueden contribuir a que los habitantes de las ZNI tengan una mejor

calidad de vida al garantizar que puedan acceder a alimentos y productos perecederos que

almacenados correctamente conservan sus propiedades (Aste, Del Pero, & Leonforte, 2017).

Además, con la implementación de tecnologías de refrigeración se podrían incluso generar

actividades que mejoren los ingresos monetarios de los habitantes de las ZNI, por ejemplo mediante

la refrigeración de alimentos en almacenes, un proceso que se ve limitado por las características

propias de las regiones sin conexión a la red (Aste et al., 2017).

Aunque existen técnicas de refrigeración pasivas para la refrigeración de alimentos, en las que no se

requiere de la utilización de una fuente de energía, estas no funcionan para todos los productos ya

que dadas sus características no se pueden regular ni controlar según requerimientos; por lo tanto,

en las zonas alejadas de la red de energía eléctrica, se deben implementar tecnologías que permitan

1 Artículo 11, Ley 143 de 1994 («Ley 143 de 1994», s. f.) 2 Artículo 1º, Ley 855 de 2003 («LEY 855 DE 2003», s. f.).

Capítulo 1: Planteamiento del proyecto

19

la regulación de la temperatura no solo para alimentos sino para otros productos que requieren

temperaturas controladas para su conservación, entre ellos las vacunas (Aste et al., 2017a). El

recurso solar principalmente, puede ser fundamental en la implementación de tecnologías de

refrigeración (Allouhi et al., 2015).

Dado el contexto coyuntural de las ZNI en donde se requiere de soluciones eficaces para garantizar

los beneficios del acceso de la energía eléctrica, con altos costos de implementación de energías

renovables debido a la dispersión y condiciones geográficas de la población, el presente proyecto de

investigación a nivel de pregrado se centra en el acceso a la refrigeración como una necesidad

central a suplir. La investigación, desarrollada de manera documental, tiene el propósito de

identificar las diferentes tecnologías de refrigeración adaptables a fuentes no convencionales de

energía de forma que se logre determinar un dispositivo ideal para la población de las ZNI. El

alcance del proyecto se configura en la caracterización de la problemática alrededor de las

necesidades de refrigeración, la identificación de las diferentes tecnologías de refrigeración, la

evaluación cuantitativa de dichas tecnologías frente a las necesidades particulares en las ZNI y, por

último, el establecimiento de parámetros ideales sobre un dispositivo de refrigeración ideal. La

investigación implica la recopilación y revisión de información sobre las ZNI en condiciones donde se

presentan dificultades incluso para las entidades gubernamentales encargadas, con respecto al

acceso de algunos datos e información sobre la población, principalmente aquella alejada y dispersa

en el territorio nacional. Por otro lado, diferentes tecnologías de refrigeración tales como la

refrigeración por absorción, adsorción, termoeléctrica y Stirling, tienen un desarrollo investigativo

reciente y en progreso alrededor de las fuentes renovables de energía, con resultados útiles para la

presente investigación. Se encontraron también tecnologías poco usuales y prometedoras como lo

son la refrigeración magnética, por eyector y termoacústica, aunque no se incluyen dentro de las

alternativas teniendo en cuenta que aun requieren de investigación y desarrollo para ser

competitivas frente a las demás tecnologías.

La investigación realizada enmarca un contexto que promueve la realización de proyectos en las ZNI

y que por lo tanto propende por el desarrollo económico y social del país; así, entre otras, se cumple

una competencia que debe desarrollar el egresado de ingeniería industrial de la Universidad Distrital

y es la relacionada con el desarrollo sostenible a lo largo del tiempo.

1.2. Justificación

Aunque las ZNI son los lugares con las mayores deficiencias en el país, también cuentan con

potencial para el desarrollo de sus individuos gracias a su cercanía con recursos naturales donde el

servicio de energía actuaría como posibilitador de crecimiento, dando oportunidades a la población

aislada de avanzar en temas productivos y competitivos, y de igual manera fortalecer la atención en

los servicios de salud y educación que requieren estas comunidades (UPME, 2014).


20

En el Plan Indicativo de Expansión de Cobertura de Energía Eléctrica (PIEC) 2013-2017 elaborado y

presentado en el año 2014 por la Unidad de Planeación Minero-Energética, se estimó necesaria una

inversión de 4,3 billones COP para extender el servicio de energía eléctrica a las 470.244 viviendas

que se calculó no contaban con dicho servicio a diciembre de 2012, con el fin de alcanzar la

universalización de este servicio en Colombia (PIEC, 2014). Mientras tanto, el Instituto de

Planeación y Promoción de Soluciones Energéticas para las Zonas No Interconectadas (IPSE),

institución encargada de estructurar e implementar las soluciones energéticas encaminados a esta

meta, ha invertido alrededor de 237.642'900.000 COP entre los años 2014 y 2018 (ver Anexo 1.

Inversión en proyectos por parte del IPSE entre el periodo 2014 - 2018).

A lo largo de la historia del país, los esquemas de energización han tenido falencias debido a que no

se han logrado coordinar acciones entre las entidades públicas y las entidades privadas, para el

desarrollo de las ZNI (UPME, 2014). Frente a este panorama una posible opción de solución es

concentrar recursos en suplir necesidades básicas relacionadas con el recurso energético, como lo

es la refrigeración, necesaria para conservar productos perecederos (por ejemplo, alimentos y

vacunas). Garantizar el acceso a la refrigeración puede mejorar diferentes aspectos dentro de la

población, abarcando diferentes dimensiones, por lo cual para el desarrollo de la presente

investigación se tendrán en cuenta 3 ejes particulares: eje social, eje económico y eje de salud.

Considerando el hecho de que la población se haya en condiciones con una baja calidad de vida

dados los altos porcentajes de Necesidades Básicas Insatisfechas (IPSE, 2017), se requiere de una

evaluación sobre la dimensión social de tal forma que se tenga en cuenta el beneficio en cuanto a

calidad de vida. También se debe tener en consideración el hecho de que la población cuenta con

bajos ingresos económicos y que el proceso de refrigeración disminuye las pérdidas de alimentos lo

que a su vez disminuye la pérdida económica, por lo cual el eje económico también es importante.

Por último, el eje de salud abarcaría los aspectos de almacenamiento principalmente de vacunas,

teniendo en consideración el hecho de que a las ZNI pertenecen los departamentos con la más baja

cobertura en vacunación (SISPRO, 2013). Estas dimensiones o ejes se seleccionaron como punto

de partida para el desarrollo de la caracterización y el análisis de las necesiades de la población.

Esta investigación beneficia principalmente a las poblaciones de las ZNI en tanto estimula el

desarrollo de proyectos futuros para mejorar su calidad de vida en aspectos relacionados con la

disminución de desperdicios económicos y alimenticios sobre productos perecederos, el aumento del

control y prevención en salud en cuanto a disponibilidad de vacunas se refiere, y todo aquello

relacionado con los requerimientos de refrigeración y mantenimiento de temperaturas constantes de

almacenamiento.

Los resultados de la investigación, que dimensionan las necesidades de refrigeración y la evaluación

de soluciones pueden ser de utilidad para investigadores, emprendedores, sectores privados y el


21

Gobierno, interesados en desarrollar investigaciones y proyectos que generen soluciones para las

ZNI de Colombia.

El desarrollo del presente trabajo se centra en la pregunta de investigación: ¿Que tecnologías

existentes actualmente adaptables a fuentes de energía no convencional son ideales para solucionar

las necesidades más importantes de refrigeración en las ZNI dada la escasa o nula disponibilidad de

energía eléctrica?

1.3. Objetivos

Objetivo General: Evaluar alternativas sobre dispositivos con fuentes de energía no convencional

para solucionar las necesidades más importantes de refrigeración de las poblaciones en las Zonas

No Interconectadas de Colombia.

Objetivos Específicos:

1. Identificar a través de consulta bibliográfica la situación actual de las ZNI con respecto a las

necesidades de refrigeración de la población, de tal forma que se logre construir un árbol de

problemas que incluya factores asociados a los principales ejes: social, económico y salud.

2. Determinar variables e indicadores útiles para evaluar dispositivos de refrigeración en una

medida cuantitativa frente a las necesidades identificadas, de acuerdo con su posible

impacto en los tres ejes principales.

3. Analizar de manera cuantitativa tecnologías y dispositivos de refrigeración con fuentes de

energía no convencional, disponibles en referencias bibliográficas, para la determinación del

diseño que mejor se adaptaría a las necesidades de las ZNI.

4. Establecer un conjunto de relaciones de parámetros específicos alrededor de un dispositivo

de refrigeración ideal para las ZNI, con fuentes de energía no convencional.

Para facilitar la lectura del presente documento y su revisión, se presenta la ubicación del

cumplimiento de cada uno de los objetivos específicos planteados, según se muestra en la Tabla 1:


22

Tabla 1. Localización de cumplimiento de objetivos específicos.

OBJETIVO ESPECÍFICO LOCALIZACIÓN DESCRIPCIÓN DE CUMPLIMIENTO

1

Identificar a través de consulta bibliográfica la situación

actual de las ZNI con respecto a las necesidades de

refrigeración de la población, de tal forma que se logre

construir un árbol de problemas que incluya factores

asociados a los principales ejes: social, económico y salud.

2.12

Se construyó un árbol de problemas en donde se identifica como problema

central la existencia de limitaciones técnicas para refrigerar productos

perecederos, teniendo como causas principales la baja implementación de

proyectos de entidades públicas y privadas debido a los altas inversiones que

estos demandan; las pocas iniciativas que hay para mejorar la calidad de vida de

los habitantes de las ZNI a través de soluciones específicas, debido a su vez a la

poca información que se encuentra al respecto y la baja adaptabilidad de los

dispositivos convencionales de refrigeración al contexto de las zonas aisladas.

Como consecuencias finales se encontraron la persistencia de las características

asociadas a la pobreza (eje social) y la baja cobertura en vacunación y servicios

de salud (eje de salud).

2

Determinar variables e indicadores útiles para evaluar

dispositivos de refrigeración en una medida cuantitativa

frente a las necesidades identificadas, de acuerdo con su

posible impacto en los tres ejes principales.

4.2

Se determinaron 14 variables técnicas asociadas a las tecnologías de

refrigeración las cuales establecen indicadores útiles para el desarrollo de una

evaluación de los dispositivos (a través de métricas asociadas), frente a las

necesidades de la población.

3

Analizar de manera cuantitativa tecnologías y dispositivos de

refrigeración con fuentes de energía no convencional,

disponibles en referencias bibliográficas, para la

determinación del diseño que mejor se adaptaría a las

necesidades de las ZNI.

4.4 y 4.5

Utilizando información cuantitativa obtenida a través de la implementación de la

Casa de la Calidad sobre cinco principales tecnologías de refrigeración

(compresión, absorción, adsorción, termoeléctrica y Stirling), se realizó un

Análisis Jerárquico de Decisión teniendo como resultado una mayor puntuación

sobre la tecnología de absorción.

4

Establecer un conjunto de relaciones de parámetros

específicos alrededor de un dispositivo de refrigeración ideal

para las ZNI, con fuentes de energía no convencional.

4.12

Se desarrollaron cálculos para la definición de los parámetros principales de un

refrigerador por absorción intermitente que tuviese como fuente de energía un

colector solar de placa plana, teniendo presente características de irradiación y

temperatura ambiente regional, tal que el dispositivo llegase a una temperatura

mínima de -18 °C, útil para la congelación de productos perecederos.

Fuente: Elaboración propia

23

1.4. Metodología

Los medios utilizados para la investigación son de carácter documental. La investigación tiene un

carácter descriptivo en tanto se estructuran las relaciones entre la escasa o nula disponibilidad de

energía en las ZNI, con las necesidades de refrigeración en las distintas actividades que realizan las

comunidades que habitan en estos territorios del país.

Se aplica la técnica de análisis y el uso del pensamiento sistémico del ingeniero industrial para

establecer variables y parámetros evaluativos sobre tecnologías y dispositivos que puedan

adaptarse como solución para el aseguramiento de la refrigeración en beneficio de las comunidades

de las ZNI. En primer lugar, se elabora un estado del arte que contextualiza la situación energética

de estas zonas en relación con la refrigeración alrededor de los ejes social, económico y salud,

utilizando como herramientas principales de consulta reportes de entidades gubernamentales

enfocadas al desarrollo de las ZNI. Luego de ello se analizan las necesidades existentes junto con

sus interrelaciones técnicas. De acuerdo con ello, a través de análisis se definen variables y métricas

que se utilizan para evaluar alternativas que sirvan de solución. Los dispositivos y tecnologías que

configuran las alternativas son identificados en bases de datos, lo cual implica también una

investigación descriptiva sobre sus formas de refrigeración, teniendo presente su funcionalidad para

zonas sin disponibilidad de energía eléctrica convencional.

La caracterización de las ZNI es necesaria para entender gran parte del contexto en el que viven sus

habitantes, e identificar el papel del proceso de refrigeración en estos lugares; se contrastan

conceptos como el de la inseguridad alimentaria y el grado de desperdicio de alimentos en el país,

encontrando que hay una proporción amplia de alimentos que se pierden en la etapa de

postcosecha y en los hogares. También se evidencia que los departamentos con ZNI tienen las más

bajas coberturas en vacunación, lo cual se contrasta con el hecho de que el proceso de

almacenamiento de vacunas requiere un estricto control de temperaturas de almacenamiento. Una

situación similar se encuentra el proceso de la pesca, una actividad fundamental de algunas de las

ZNI, ya que a pesar de que esta actividad es una fuente potencial de ingresos, cuando existe la

limitante de la refrigeración se restringen las oportunidades de crecimiento y desarrollo.

También es importante una consulta que incluya cada una de tecnologías de refrigeración

existentes, tal que cada una de ellas tengan algún grado de factibilidad con respecto a su

implementación en ZNI, lo cual se puede verificar según dispositivos propuestos por diferentes

autores e incluso algunos proyectos que se han desarrollado en el mundo sobre el tema en cuestión.

Esto permite tener una información más veraz y así mismo una selección más acertada.

Se aplican las metodologías de la Casa de la Calidad y el Análisis Jerárquico de Decisión para

definir las características técnicas más relevantes a tener en cuenta en el dispositivo de refrigeración

y el tipo de tecnología que más se ajusta a una solución para las necesidades de las ZNI.

Finalmente, se realizan cálculos para un prediseño del dispositivo, validando los resultados a través

de un análisis de sensibilidad y una simulación en el software Aspen Hysys.


24

Entre los medios utilizados para el desarrollo de la investigación se encuentran: artículos

académicos en bases de datos (Science Direct, Scopus, Google Scholar), resultados investigaciones

académicas relacionadas, resultados en censos nacionales (tal como en Censo Nacional

Agropecuario de 2015), informes gubernamentales (emitidos por entidades como el Ministerio de

Minas y Energía, el Ministerio de Salud o instituciones como IPSE) y bases de datos virtuales

especializadas con información relacionada tal como la del Centro Nacional de Monitoreo (CNM)

adscrito a IPSE.

25

Capítulo 2. Caracterización de las ZNI

2.1. Introducción

En el presente capítulo se exponen los resultados y el análisis de la consulta bibliográfica realizada

sobre las características poblacionales más relevantes de los habitantes de las ZNI para de esta

manera elaborar un árbol de problemas concerniente a la ausencia de refrigeración, así como un

árbol de soluciones en el cual se planteen los objetivos para la mitigación de las consecuencias

problemáticas principales. La información contenida en este capítulo proporciona también los datos

de entrada para definir aspectos técnicos como la temperatura requerida para almacenamiento de

productos perecederos y la temperatura ambiente de las zonas en estudio. Entre otros temas, se

dan a conocer las entidades que promueven el desarrollo de las ZNI y algunos de los proyectos

formulados para ampliar la cobertura energética en el país.

Mediante la consulta se determinaron las regiones con mayor concentración de usuarios, sus

características sociales, económicas y en salud. Se establecieron características comunes en temas

como la cobertura en vacunación, las necesidades básicas insatisfechas y las actividades

económicas. Toda esta información se contrasta con la importancia de mantener la cadena de frio y

con ella el proceso de refrigeración, ya que repercute en aspectos como la seguridad alimentaria, la

agricultura, la actividad pesquera, entre otras.

2.2. Ubicación y distribución de usuarios en las ZNI

Las Zonas No Interconectadas (ZNI) son todas aquellas regiones en el país que en materia

energética no pertenecen al Sistema Interconectado Nacional (SIN). Ocupan el 52% del territorio,

dentro de lo cual se encuentran 18 departamentos, 5 capitales departamentales, 37 cabeceras

municipales, 97 municipios y 1.728 localidades (IPSE, 2017), abarcando alrededor de 209.081

unidades familiares o usuarios (IPSE, 2018). La Figura 1 muestra la distribución de los usuarios en

las ZNI de Colombia, donde se puede observar una alta densidad poblacional en los departamentos

de la región del pacífico y una dispersión de la población en los departamentos del sur y del este,

siendo la mayoría de los departamentos de carácter fronterizo:

Capítulo 2: Caracterización de las ZNI

26

Figura 1. Localización de usuarios en las ZNI según el Centro Nacional de Monitoreo (CNM). Fuente: (CNM, 2018)


27

Los departamentos pertenecientes a las ZNI en donde más población se encuentra son

principalmente Nariño y Choco. La Figura 2 muestra la distribución del número de usuarios

(unidades familiares) en ZNI por departamento, donde se puede observar una marcada diferencia

entre los usuarios de estos dos departamentos frente a los restantes 16, teniendo cantidades

menores a los diez mil en 13 departamentos frente a los cerca de 101.246 usuarios que suman

Nariño y Choco.

Figura 2. Distribución de usuarios en ZNI por departamento.

Fuente: Adaptado de (IPSE, 2017)

2.3. Problemas de desarrollo en ZNI

El problema general del desarrollo de las comunidades rurales aisladas no interconectadas se puede

representar a través del diagrama causal de la Figura 3, diseñado por Franco et. Al. (2008), en

donde se observa que el desarrollo de una comunidad se ve influenciado por la oferta de energía y

las condiciones ambientales, mientras que a través del desarrollo se disminuye la pobreza. Por otro

lado, al disminuir la oferta de energía no es posible logra aumentar el desarrollo y disminuir la

pobreza, lo cual agrava el problema de déficit de energía.


28

Figura 3. Diagrama causal del problema de desarrollo de las comunidades rurales aisladas no interconectadas.

Fuente: Adaptado de (FRANCO, DYNER, & HOYOS, 2008)

En el diagrama causal de la Figura 3, el ciclo R1 configurado por el desarrollo, la demanda de

energía y la oferta de energía es un ciclo de realimentación de refuerzo de suministro u oferta de

energía. El ciclo de refuerzo R2 configurado por el desarrollo, la pobreza y la oferta de energía se

encuentra limitado por las condiciones ambientales impuestas para el desarrollo, lo cual se

representa en los ciclos de balance B1 (desarrollo, pobreza, oferta de energía, condiciones

ambientales) y B2 (desarrollo, demanda de energía, oferta de energía, condiciones ambientales). La

hipótesis dinámica de Franco et. al. es: a más desarrollo, más demanda de energía. El diagrama

caracteriza el contexto de la problemática de energía en las ZNI, donde, aunque se cuenta con gran

concentración de recursos minerales, agrícolas, pesqueros, entre otros, las condiciones sociales,

ambientales y la oferta energética repercuten en el desarrollo generando limitaciones que no

permiten una disminución de aspectos como la pobreza.

En particular, dentro de las características de las ZNI se encuentran zonas dispersas con una baja

densidad poblacional abarcando áreas biodiversas y territorios colectivos de comunidades étnicas

nacionales; su porcentaje de Necesidades Básicas Insatisfechas (NBI) es mayor al 77%,existe bajo

nivel de consumo promedio asociado a una baja capacidad pago y de recaudo, mientras que a su

vez existen altos costos para la prestación de servicio de energía eléctrica (IPSE, 2017).

2.4. Entidades a cargo y fondos de inversión

El Instituto de Planificación y Promoción de Soluciones Energéticas para las Zonas No

Interconectadas (IPSE), siendo parte de las entidades públicas del Ministerio de Minas y Energía


29

(MME) tiene la función de resolver las limitaciones energéticas de los habitantes las zonas del país

sin servicio, apoyando y realizando labores encaminadas a brindar soluciones para que se logre

satisfacer la demanda energética de las ZNI de una manera viable3. Para lograr su objetivo, la

institución cuenta con fondos de inversión, sin embargo, existen otros fondos financieros destinados

a la realización de proyectos enfocados a la universalización de la energía en Colombia, los cuales

son (UPME, 2016):

• FAER: Fondo de Apoyo Financiero para la Energización de las Zonas Rurales

Interconectadas. Aplica para las regiones pertenecientes al SIN.

• FAZNI: Fondo de Apoyo Financiero para la Energización de las Zonas No Interconectadas.

Aplica únicamente para las regiones pertenecientes a las ZNI.

• PRONE: Fondo del Programa de Normalización de Redes Eléctricas. Se enfoca en la

financiación de proyectos de adecuación de redes existentes en el SIN, así como la

legalización de usuarios.

• FENOGE: Fondo de Energías No Convencionales y Gestión Eficiente de la Energía. Aplica

principalmente para proyectos de energización que utilicen fuentes no convencionales de

energía (FNCER), principalmente en estratos bajos. Es de resaltar que dicho fondo ofrece

estímulos tributarios para quienes desarrollen proyectos acordes con su misión.

Los operadores de red en el país también realizan inversiones para la ampliación de la cobertura de

energía, apoyando en la gestión de planes, programas y proyectos de construcción e instalación de

infraestructura, principalmente en el SIN (UPME, 2016).

2.5. Prestación de energía

Las ZNI utilizan principalmente equipos de generación diésel para su abastecimiento de energía.

Existen cerca de 1.269 máquinas que funcionan con un generador que utiliza motor de combustión

interna (grupos electrógenos), de las cuales se sabe tienen una buena eficiencia cerca de 53% de

ellas (IPSE, 2014), lo cual significa que el porcentaje restante (cerca de la mitad de los grupos

electrógenos) cuentan con un mal funcionamiento traducido en pérdidas de energía. Además de ello,

el impacto ambiental de las maquinas es alto ya que generan emisiones de CO2 aproximadamente

de 0,7326 t de CO2/MWh, una tasa cinco veces más grande que la tasa de emisión de la maquinaría

en regiones pertenecientes al SIN (UPME, 2016).

Como herramienta de seguimiento para el IPSE, el Centro Nacional De Monitoreo (CNM)

proporciona información sobre el servicio de energía en las ZNI, donde es posible examinar a través

de monitoreo satelital (telemetría) a cerca de un 5% de las zonas, mientras que el porcentaje

3 Decreto 257 del 24 de enero del 2004


30

restante, de ser posible, se vigila mediante Contact Center (llamado telefónico). Cada una de las

zonas con telemetría cuenta con algún grado de prestación de energía, donde al menos un 31% de

las localidades pertenecientes cuenta con 24 horas de prestación de energía al día, mientras que un

10% de ellas cuentan con una prestación de 1 a 6 horas al día. Para más información ver el Anexo

2. Prestación de energía en localidades con y sin telemetría.

2.6. Proyectos de expansión de cobertura

En materia de planeación energética y con el objeto de proponer estrategias y líneas de acción para

la universalización del servicio de energía eléctrica, actualmente se elaboran los siguientes planes

de expansión y desarrollo:

1. Plan Energético Nacional (PEN): Plan presentado por la Unidad de Planeación Minero (UPME)

en el cual se presentan algunas ideas sobre el desarrollo futuro del sector energético

colombiano que pueden servir de base para la elaboración e implementación de una política

energética (UPME, 2015b).

2. Plan Indicativo de Expansión de Cobertura (PIEC): En la Ley 142 de 1994 se estableció que

cada cinco años se debe realizar un plan que busque aumentar la oferta del servicio de energía

mediante la estimulación del sector privado y el cálculo de las inversiones que debe hacer el

gobierno. En sus documentos se muestran análisis comparativos sobre diferentes alternativas,

además en documentos recientes se han venido incluyendo nuevas oportunidades del mercado

energético, incluyendo fuentes alternativas de generación de energía (UPME, 2016).

3. Planes de Energización Rural Sostenible (PERS): Son planes para elaborar proyectos que se

presentan a partir del análisis de las regiones rurales, identificando información como por

ejemplo la demanda energética, el presupuesto de financiamiento, algunas características de los

usuarios, entre otras, con el fin de crear estrategias que se han visto reflejadas en un banco de

proyectos para zonas ubicadas en departamentos como Nariño, Chocó y la Guajira (UPME,

2015c).

4. Plan Todos Somos PAZcífico (PTSP): Es un plan especialmente enfocado en las necesidades

sociales, económicas y ambientales del pacifico, que contiene entre sus objetivos la

energización de áreas rurales y la implementación de fuentes de energía alternativas4.

La última versión del PIEC (2016-2020) calculó un estimado nacional de 431.137 viviendas sin

servicio (VSS) las cuales representan un déficit energético nacional de 3,04%. Para lograr la

cobertura total el documento calcula una inversión proyectada en alrededor de $5,03 billones COP,

los cuales se destinarían para soluciones de interconexión al SIN y soluciones aisladas, evaluando

4 Decreto 2121 de 2015


31

en cada caso particular la mejor opción de solución (UPME, 2016). La Figura 4 muestra la

proporción de VSS beneficiadas e inversión requerida en cada caso, observando un porcentaje

similar en cuanto a VSS beneficiadas. Sin embargo, es claro que la inversión requerida en

soluciones aisladas, las cuales involucran fuentes no convencionales de energía, resulta más

costosa que la interconexión al SIN. Esto significa mayores dificultades para los usuarios cuya mejor

alternativa sea la energización con soluciones aisladas, ya que deberían esperar mayores rubros de

inversión por parte del gobierno para poder contar con una solución energética.

Figura 4. Proporción de inversión requerida y VSS beneficiadas a través de soluciones de energización por soluciones aisladas e interconexión al SIN.

Fuente: Adaptado de (UPME, 2016)

Por parte del sector privado se requiere una inversión de $371.041 millones COP para ampliar la

cobertura de energía a algunos de los departamentos donde se ubican las ZNI, según las

capacidades de los operadores de red en cada región (Anexo 3), lo cual reafirma la alta inversión

que se requiere para generar soluciones; a ello se suma la baja motivación del sector privado por

invertir en estas zonas dada la baja capacidad de recaudo.

Para el año 2030, el MME espera haber logrado la cobertura energética total del país, con el fin de

impulsar el desarrollo de los habitantes de las zonas sin energía a través del esperado mejoramiento

de su calidad de vida, incluyendo el aumento de los ingresos y por lo tanto la reducción de la

pobreza. Además, se planea que las FNCER aumenten su participación en los proyectos de

energización. (UPME, 2016).

2.7. Características regionales

Teniendo en cuenta la información otorgada por IPSE (Anexo 4. Proporción de municipios

pertenecientes a las ZNI por departamento.), existen departamentos cuya totalidad de municipios


32

son considerados ZNI, mientras que en otros estas zonas abarcan cierta proporción. Tal es el caso

de Nariño, en donde se tiene un 17% de municipios pertenecientes a la lista de ZNI, aun cuando

presenta la mayor cantidad de usuarios por departamento. Otra particularidad de la distribución de

usuarios es el hecho de que, tal como se evidencio en la Figura 2, si los departamentos se agrupan

por región, aproximadamente el 80% de los usuarios de las ZNI se ubican en la zona del Pacifico y

la Amazonía. De cualquier forma, cada región del país cuenta con alguna proporción de usuarios

dentro de ZNI, por lo cual es importante identificar las particularidades de cada caso para una mejor

interpretación de las necesidades de los usuarios.

Cada una de las seis regiones (Amazonía, Andina, Caribe, Insular, Orinoquía y Pacífico) cuenta con

diferentes características geográficas, demográficas y económicas. En esta sección se describirán

dichos aspectos a favor de una clara identificación de la situación actual con respecto a las

necesidades de refrigeración en las ZNI, enmarcadas en los temas sociales, económicos y de salud.

2.7.1. Región Pacífica

Características sociales: En la región Pacífica el departamento de Choco es el lugar con las cifras

más adversas en cuanto a indicadores socioeconómicos se refiere. Ejemplo de ello es el hecho de

que ninguno de sus municipios alcanza el promedio nacional en cuanto a cubrimiento de servicios

básicos, teniendo casos de carencia absoluta. En el Anexo 5. Proporción de necesidades básicas

insatisfechas en los departamentos con ZNI se observa que Chocó, el segundo departamento con

más usuarios de ZNI a nivel nacional, tiene un 77% de NBI, una proporción muy alta si se compara

por ejemplo con Bogotá (9,20%). Cauca y Nariño superan el 43% de NBI y Valle del Cauca tiene el

15,68% de NBI.

Chocó es un departamento habitado por comunidades étnicas, entre ellas afrodescendientes,

indígenas, mulatos y mestizos. El 57% de estas comunidades se localiza en área rural aledaña a

ríos y al mar; una de sus fuentes hídricas más importantes es el rio Atrato, ya que es considerado

una de las cuencas de mayor rendimiento hídrico en el mundo (Gobernación de Chocó & ICBF,

2007).

En el año 2014, COLCIENCIAS realizo una convocatoria llamada “Ideas para el cambio: Pacífico

pura energía”, en ella participaron diferentes empresas con propuestas para llevar energía a las ZNI

de la zona del Pacífico. Las iniciativas de los proyectos incluían incorporación de iluminación en los

hogares, energía para refrigeración de alimentos, cadenas de frio, alimentación de equipos

electrónicos para colegios, centros de salud, entre otros. En algunos casos se incorporaron

dispositivos para almacenamiento y comercialización de alimentos. Los proyectos se incorporaron en

distintos lugares y costaron desde $154.000.000 hasta $209.530.241 COP (COLCIENCIAS, 2018).


33

Características de salud: En el departamento de Choco la cobertura en salud no supera el 30% y

las tasas de morbilidad y mortalidad en niños son significativas. El departamento tiene una de las

más altas tasas de fallecimiento infantil en el país. Para el año 2016 la tasa fue de aproximadamente

40,9 niños fallecidos antes de cumplir un año por cada mil nacidos vivos (Anexo 6. Defunciones de

menores de un año por cada mil nacidos vivos en los departamentos de Colombia)

Además, en cuanto a cobertura en vacunación, por ejemplo, para la vacuna pentavalente, Chocó

tiene la segunda tasa más baja en cobertura (77,32% cuando la meta es 95%); los otros

departamentos de la región tienen un promedio de cobertura del 93.25% en cuanto a esta vacuna

(SISPRO, 2013).

Características económicas: La silvicultura y la pesca abarcan el 22% del PIB del Chocó,

ocupando el segundo lugar de participación en el departamento frente a un 44% por parte de la

actividad metalífera. El Choco es el séptimo departamento en desembarco de pesca artesanal en el

Pacífico y el Caribe. (Giselle & Vidal, 2015). En el ranking de producción nacional Choco tiene el

primer lugar en producción de achín, el segundo en borojó, el cuarto en chontaduro y coco, el sexto

en ñame, y el once en piña banano y limón. Además, tiene una oferta potencial para exportación de

productos como peces ornamentales, filetes de pescado, frutas frescas y banano

orgánico(Procolombia, 2013). Entre las potencialidades del Chocó se encuentra su abundante

recurso hídrico y orográfico, lo cual podría permitirle una alta capacidad para generar energía

eléctrica (Gobernación de Chocó & ICBF, 2007).

Por otro lado, Valle del Cauca tiene el primer puesto en producción nacional de caña de azúcar y

cítricos, el segundo en piña, aromáticas, perejil y pimentón, el tercero en guayaba, macadamia, y

maracuyá, el cuarto en café y pitahaya, el quinto en aguacate y el sexto en plátano (Procolombia,

2015). Nariño tiene el primer puesto en producción nacional de cocotero, y arveja, el tercero en

tomate de árbol, papa, banano, y repollo, el cuarto en chirimoya, uchuva, y zanahoria, el quinto en

caña panelera, y el octavo en panela. Además tiene una oferta potencian en productos como frutas

frescas, atunes frescos, refrigerados y congelados, y lácteos (Procolombia, 2014b). Por otro lado, el

departamento del Cauca tiene el primer puesto en producción nacional de fique, el segundo en caña

de azúcar, el tercero en piña, el quinto en ahuyama, y el sexto en caña panelera. Entre su oferta

potencial están azucares y mieles, derivados del café, y frutas y hortalizas (Procolombia, 2014c).

2.7.2. Región Amazónica

Características sociales: A la región Amazónica pertenecen el 18% de los usuarios en ZNI. El 17%

de la población corresponde a grupos indígenas que ofrecen una variedad cultural y lingüística de

enorme riqueza. Se identifican cuatro subregiones amazónicas: Piedemonte, conformado por

Caquetá y Putumayo donde se encuentra el 75% del total de la población, con una alta diversidad

ecosistémica gracias a los sistemas hídricos que la recorren; Subregión Norte, conformada por el

departamento de Guaviare y municipios del sur del Meta; Subregión Nororiente, conformada por

Vaupés y Guainía, donde se concentra la menor cantidad de población de la región, y habitan

aproximadamente 23 resguardos indígenas; Subregión Sur, compuesta por el Amazonas,


34

caracterizada por inclinarse hacia la conservación de los recursos naturales (Amazonia posible y

sostenible, 2013).

El 45,8% de los hogares en la región amazónica presentan necesidades básicas insatisfechas, muy

superior al promedio nacional (27,7%). Cada uno de los departamentos de la región tienen una alta

proporción de NBI (Anexo 5. Proporción de necesidades básicas insatisfechas en los departamentos

con ZNI) siendo la más alta Vichada con el 66,95% y la más baja Putumayo con un 36,01%.

Mediante la consulta bibliográfica no se encontraron proyectos desarrollados para la región

amazónica vista como ZNI.

Características de salud: Las tasas de mortalidad infantil en la región de la Amazonia son las más

altas de todas las regiones (Anexo 6. Defunciones de menores de un año por cada mil nacidos vivos

en los departamentos de Colombia). Respecto a la baja tasa de cobertura de vacunación, en cuanto

a la vacuna pentavalente, por ejemplo, ninguno de sus departamentos supera o iguala la meta del

95% de cobertura; en Vichada incluso solo se llega a un 60%, mientras que en los demás

departamentos de la región el promedio es del 88%.

Características económicas: Piedemonte contribuye con el 75% del PIB de la región amazónica; la

Subregión Norte contribuye con un 8%, aun cuando se estima que el 50% del área se encuentra

reservada para la exploración de hidrocarburos; la Subregión Sur aporta menos del 6% en el PIB.

En la región de la Amazonía es primordial la conservación de los recursos naturales, por encima de

la búsqueda del desarrollo económico; la actividad económica está basada en el comercio con

ciudades peruanas y brasileras ubicadas en la frontera, e iniciativas de turismo ecológico. Las

consecuencias de minería ilegal y la sobreexplotación han empezado a evidenciarse en la reducción

en el volumen de la pesca, mientras la falta de alternativas productivas sostenibles ha llevado a la

población a la extracción selectiva de maderas de alto valor que son traficadas ilegalmente. Estudios

afirman que competir con precios de mercado de productos industriales puede ser inviable en lo

económico e insostenible en lo ambiental (CEPAL, 2013). En cuanto a la actividad agrícola se

desconoce el potencial de la región dado que priman las características de preservación.

2.7.3. Región Insular

Características sociales: El 10% de los usuarios en ZNI pertenecen a la región Insular, conformada

por las islas de San Andrés y Providencia. De acuerdo con el Anexo 5. Proporción de necesidades

básicas insatisfechas en los departamentos con ZNI, en esta región la proporción de NBI es del

40,85%, ocupando el puesto número 15 dentro del ranking de las más altas en el país.

Características de salud: En la región, por cada mil niños nacidos vivos, mueren 17,9. La

mortalidad es influida por temas de retardo en el crecimiento, bajo peso al nacer, enfermedades

infecciosas y malas prácticas nutricionales. En este aspecto, un estudio encontró que el 20% de la


35

población se encuentra en riesgo de inseguridad alimentaria; por otra parte, la cobertura en

vacunación para algunas de las vacunas más importantes en niños cumple la meta del país con una

tasa de 97,7%. (MinSalud, 2011)

Características económicas: En la región Insular la pesca es un factor económico principal, donde

actualmente se requieren de soluciones energéticas sostenibles y se busca la promoción de fuentes

de energías renovables. En esta zona habitan aproximadamente 75.000 personas que se dedican

principalmente a actividades comerciales y de turismo, generando una demanda energética que en

su mayoría depende del uso de combustibles fósiles para la generación de energía eléctrica y otras

actividades. Lograr reducir el uso de combustibles representa un reto para la incorporación de

fuentes de energía no renovable, de tal forma que se reduzcan los costos por concepto de

adquisición y uso de combustibles, así como el deterioro de los recursos naturales en la isla (UPME,

2015a).

2.7.4. Región Orinoquía

Características sociales: En esta región, con baja densidad poblacional, habitan el 5% de los

habitantes de las ZNI, ubicados en los departamentos de Casanare, Caquetá y Meta. La proporción

de necesidades básicas insatisfechas más alta de la región la tiene Caquetá con 41.72%, seguida

por Casanare con 35.55% y Meta con 25.03% (Anexo 5. Proporción de necesidades básicas

insatisfechas en los departamentos con ZNI). No se encontró información sobre proyectos de

energización de las ZNI de la región.

Características de salud: Para los departamentos de la región Orinoquía se tiene una tasa

promedio de 22,6 niños que mueren antes de cumplir un año por cada mil nacidos, un alto valor

comparada por ejemplo con el departamento de Bogotá donde se estima una tasa de 11.6 niños

fallecidos por cada mil nacidos vivos (Anexo 6. Defunciones de menores de un año por cada mil

nacidos vivos en los departamentos de Colombia). Para el caso de la cobertura en vacunación, en

el caso por ejemplo de la vacuna antituberculosa y la vacuna pentavalente, en ninguno de los tres

departamentos se iguala o supera la meta nacional del 95% de cobertura.

Características Económicas: Los aportes al PIB de la región Orinoquía provienen de la producción

de hidrocarburos, único sector que muestra crecimiento en la región ya que las actividades no

mineras presentan tasas negativas de crecimiento; esto debido entre otras cosas a factores como la

localización de la región, la baja fertilidad de los suelos, y la ausencia de infraestructura para

garantizar la disponibilidad del recurso hídrico (Benavides, 2010).

La mayor parte del área cultivable de la región se encuentra destinada a la ganadería, teniendo que,

únicamente un 32% de la tierra que podría ser cultivada realmente lo está. Los productos agrícolas

más importantes de la región son el arroz y la palma de aceite. Existen inversiones importantes en el

sector agrícola, altamente subsidiadas y poco competitivas (Benavides, 2010).


36

2.7.5. Región Andina

Características sociales: En esta región únicamente se encuentra el departamento de Antioquia

con usuarios pertenecientes a las ZNI, comprendiendo cerca del 2% del total nacional, residiendo en

los municipios de Vigía del fuerte, Urrao y Murindó. En Antioquia, la proporción de NBI es del

22,96% (Anexo 5. Proporción de necesidades básicas insatisfechas en los departamentos con ZNI)

una tasa inferior a la del promedio nacional de 27,7%.

Características de salud: Se presentan altas tasas de mortalidad infantil, donde por cada mil niños

nacidos vivos en los municipios de Vigía del fuerte, Urrao y Murindó mueren alrededor de 39.3, 17.1,

y 39,8 niños, respectivamente, antes de cumplir un año (Anexo 6. Defunciones de menores de un

año por cada mil nacidos vivos en los departamentos de Colombia). Sobre la cobertura en

vacunación, se tiene que, representativamente, la vacuna pentavalente abarca el 93.17% de

cobertura (con una meta del 95%).

Características económicas: Vigía del fuerte y Murindó se ubican en la región de Urabá en

Antioquia, que limita también con Urrao. Esta región aporta el 7,5% del PIB departamental(K.

Martinez, 2017); actividades como la agricultura, la ganadería, la caza, la silvicultura y la pesca

concentran el 72,8% de los activos de la región (Cámara de Comercio de Urabá, 2013).

2.7.6. Región Caribe

Características sociales: Las ZNI pertenecientes a la región Caribe comprenden el municipio de

Uribía (en su mayoría habitado por integrantes de la comunidad indígena Wayuu) en el

departamento de la Guajira, Ciénaga en Magdalena, y Cartagena en Bolívar, allí habitan el 1% de

los usuarios de las ZNI del país. En cuanto a NBI, los tres departamentos se encuentran entre los

primeros diez con proporción de NBI más altas en Colombia: la Guajira con un 65.23%, Magdalena

con un 47.68% y Bolívar con un 46.6% (Anexo 5. Proporción de necesidades básicas insatisfechas

en los departamentos con ZNI).

Características de salud: De acuerdo con el Anexo 6. Defunciones de menores de un año por cada

mil nacidos vivos en los departamentos de Colombia, el caso de Uribía en la Guajira es preocupante

ya que 48,5 niños de cada mil niños nacidos vivos mueren antes de cumplir un año de edad. En

temas de cobertura en vacunación, por ejemplo, ninguno de los tres departamentos iguala o supera

la meta del 95% de cobertura para la vacuna pentavalente, el promedio de los tres es del 87%.

Características económicas: En el municipio de Uribia, se dedican al comercio, al turismo, a

procesar divisas y a exportar carbón; en el municipio de Ciénaga la economía se basa en la pesca,

la ganadería y la venta de artesanías a los turistas(OCHA, 2014).


37

2.8. Análisis comparativo entre regiones

En la Tabla 2 se comparan las características principales de las regiones del país alrededor de los

ejes social, económico y salud. Se encuentra que las regiones con mayor concentración de usuarios

en ZNI (Pacífico y Amazonía) se caracterizan por la presencia mayoritaria de población

afrodescendiente e indígena, respectivamente. En general se tienen altas tasas de NBI,

exceptuando los municipios de Antioquia en donde el promedio es más bajo que el nacional, lo cual

puede indicar mejores condiciones económicas. Las altas tasas de mortalidad infantil y las bajas

coberturas de vacunación en general son indicadores de una deficiente cobertura en salud en cada

una de las regiones, de nuevo exceptuando los municipios de Antioquia.


38

Tabla 2. Comparación entre las características sociales, de salud y económicas entre las regiones

de Colombia con ZNI.

Región Características Sociales Características de

Salud Características Económicas

Región Pacífica

• 82% de población afrodescendiente.

• Alta tasa de ocupación de zona rural.

• Hasta 77% de NBI.

• Se han realizado proyectos de desarrollo particulares para ZNI.

• Cobertura en salud menor al 30%

• Alta tasa de mortalidad infantil

• Baja cobertura en vacunación

• Actividades de pesca y silvicultura.

• Primeros lugares de producción nacional en productos agrícolas: caña de azúcar, cítricos, cocotero, arveja, entre otros.

• Potencial aprovechamiento de recurso hídrico

Región Amazónica

• 17% de población indígena.


• La más alta tasa de mortalidad infantil.


• Potencial de explotación de hidrocarburos.

• Amplio turismo ecológico.

• Presencia de minería ilegal.

• Es primordial la conservación de los ecosistemas.

Región Insular

• Alto porcentaje de población afrodescendiente.

• 41% de NBI

• Tasa alta de riesgo de inseguridad alimentaria.

• Alta cobertura en vacunación.

• Amplia actividad pesquera.

• Comercio y turismo

Región Orinoquía


• Alta tasa de mortalidad infantil.


• Producción de hidrocarburos.

• Amplia producción ganadería.

• La agricultura se centra en el arroz y la palma de aceite.

Región Andina

• Baja tasa de NBI.

• Alta tasa de mortalidad infantil,

• Cobertura en vacunación cercana a la meta

• Producción basada en la agricultura, ganadería, caza de animales, silvicultura y la pesca.

Región Caribe

• Hasta 65% de NBI,

• Alta tasa de mortalidad infantil.


• Alto comercio y turismo.

• Exporta carbón.

• Desarrollo de ganadería (principalmente en Ciénaga)



39

Si bien las NBI pueden abarcar un amplio panorama de necesidades y condiciones, un aspecto que

podría mejorarse a través de la refrigeración es la disminución de pérdidas de alimentos dentro de

las unidades familiares por falta de oportunidad en la conservación. Esto podría ser de mayor

importancia cuando se tiene presente que, tal como se observa en la Tabla 2, la agricultura y la

pesca son factores económicos principales en varias regiones, lo cual implica periodos de cosecha y

recolección posiblemente masivas en las cuales tener la opción de conservar productos perecederos

excedentes de las actividades de venta y consumo, podría traer beneficios para las familias. Otro

aspecto negativo general que puede mitigarse a través de la generación de oportunidades de

refrigeración en las ZNI es la conservación de vacunas, lo cual posibilitaría el transporte,

conservación y la aplicación de dichos productos en los usuarios finales. A continuación, se

profundiza sobre estos aspectos.

2.9. Necesidades de refrigeración en las ZNI

Según Procolombia (2014), la refrigeración involucra todos los procesos realizados con el fin de

mantener la temperatura y humedad óptimas para la conservación de un producto dentro de

estándares definidos desde que inicia el proceso de producción hasta que el producto llega al

consumidor. Esto incluye el almacenamiento, el empaque, la distribución, el transporte, entre otros.

La ausencia de garantías en el cumplimiento de este proceso puede causar enfermedades a los

consumidores, por lo tanto, es un proceso relevante especialmente para el consumo seguro de

alimentos (Procolombia, 2014a).

El papel de los refrigeradores en una unidad familiar puede ser considerado como el último eslabón

del proceso que garantiza poder mantener un producto en buenas condiciones por mayor tiempo al

mantener una temperatura requerida. Por lo general se utilizan refrigeradores de compresión,

aunque ciertamente existen varias alternativas en el mercado. Según un informe presentado por el

DANE con los resultados de la Encuesta Nacional de Calidad de Vida (ECV) del 2017, la

disponibilidad de bienes y servicios que tienen los hogares se asocia con su calidad de vida. En el

caso de los refrigeradores se encontró que el 86,5% de los colombianos posee un refrigerador,

siendo este el electrodoméstico que más adquieren los colombianos luego del televisor con un

93,9% (DANE, 2014). Llevar a las ZNI el segundo electrodoméstico más utilizado o que más

poseen los colombianos, contribuiría al mejoramiento de la calidad de vida de sus habitantes.

En el PIEC 2016-2020 se establece una curva de carga horaria, la cual permite analizar las

diferentes alternativas de energización presentadas por el plan. La curva identifica los consumos

básicos rurales atendiendo como mínimo la iluminación, refrigeración, televisión, un punto de carga

de celular y un punto de carga adicional para otros electrodomésticos (UPME, 2016). La Tabla 3

muestra el consumo de energía mensual según la curva de carga:


40

Tabla 3. Consumo de energía para los electrodomésticos en la curva de carga horaria.

USO EQUIPO CANTIDAD HORAS AL

DÍA

POTENCIA

(W)

CONSUMO

(kWh/mes)

Refrigeración Nevera 1 9 180,00 48,60

Equipos

electrodomésticos

TV 1 6 80,00 14,40

Celular 1 5 2,40 0,36

Iluminación Bombillos 5 6 11 9,90

Fuerza motriz Licuadora 1 0,17 400,00 2,00

Otro Toma 1 5 100,00 15,00

TOTAL 90,26

Fuente: Adaptado de PIEC 2016 - 2020 (UPME, 2016)

Como puede observarse en la Tabla 3, el uso que más consume energía según la curva de carga es

la refrigeración (48,60 kWh/mes sobre los 90,26 kWh/mes, totales), donde lo ideal es que funcione

las 24 horas del día.

En zonas de bajos recursos, incluyendo áreas rurales (como lo son en su mayoría las ZNI), las

personas recurren a comprar refrigeradores de segunda mano, cuyo bajo costo es inversamente

proporcional a su eficiencia (UPME, 2016). Esta actividad va en contra de los compromisos de

eficiencia energética adquiridos por el país y sus intereses por hacer que el proceso de refrigeración

en las unidades familiares pueda cumplir con su función a partir alimentación continua de energía

(PIEC 2016 - 2020).

2.10. La Seguridad Alimentaria

Según la FAO, parte de los aspectos que garantizan que las personas no enfrenten la inseguridad

alimentaria es la refrigeración ya que cuando se tienen limitaciones técnicas en temas como la

cosecha y el almacenamiento, se pueden perder los alimentos o las características nutritivas que

permiten suplir los requerimientos alimentarios de los individuos. (FAO, 2015). Según el DNP, en un

estudio realizado el año 2016, en Colombia se arrojan 9,76 toneladas de comida al año, con lo cual

se podría alimentar aproximadamente al 34% del país. En la Figura 5 se observan las cantidades y

proporción de productos que se desechan debido a pérdidas en las diferentes etapas de producción

por las que pasa un determinado producto, donde se observa que las frutas y verduras tienen el

mayor porcentaje de pérdida, superior al 50%.


41

Figura 5. Toneladas desechadas por producto anualmente en Colombia.

Fuente: Adaptado de (DNP, 2016)

En la Figura 6 se muestran las cantidades desechadas por etapa de producción en Colombia en el

año 2016, donde se observa que en la etapa de almacenamiento y postcosecha se perdió el 20% del

total desechado. Esto probablemente tiene que ver con la infraestructura con la que cuentan los

productores colombianos en esta actividad, incluso dentro de las recomendaciones finales del

informe del DNP, a los productores les sugieren que se invierta en maquinaria y en bodegas de

postcosecha que incluyan redes de frio, almacenamiento a temperatura controlada, entre otros. El

documento también recomienda a los consumidores cuidar de la refrigeración adecuada de frutas,

huevos y pan, y el congelamiento de las carnes y el pescado (DNP, 2016).

Figura 6. Toneladas desechadas por etapa anualmente en Colombia.

Fuente: Adaptado de (DNP, 2016)

Es importante observar en la Figura 6 el hecho de que la pérdida en los hogares el casi equiparable

a la pérdida en la distribución, la postcosecha y el almacenamiento. Si bien esta situación se


42

presenta en los hogares que pertenecientes al SIN, probablemente las perdidas marginales sean

superiores en las familias pertenecientes a las ZNI, donde se tienen limitaciones alrededor de la

refrigeración.

En la Encuesta Nacional de Situación Nutricional en Colombia presentada en el año 2015 se

encontró que en las familias lideradas por indígenas (ubicadas principalmente en ZNI) el 80% se

encuentra en inseguridad alimentaria. Por otro lado, el 10% de los adolescentes del país (12 a 17

años) enfrentan problemas de desnutrición crónica, de los cuales el 36,5% son indígenas, 15,7%

viven en zonas rurales y el 14,9% personas que viven en situación de pobreza. En cuanto a los

menores de edad se encontró que el 30% de los menores en edad en fase escolar (fase crucial en la

que el ser humano se adapta a hábitos alimenticios que repercuten en su vida adulta),

pertenecientes a comunidades indígenas, presentan desnutrición crónica (MINSALUD, 2015). Todas

las anteriores son características típicas que se presentan en las ZNI.

En Colombia, el porcentaje más alto de población con inseguridad alimentaria se encuentra en el

Atlántico con un valor del 65%, seguida por el Amazonas y la Orinoquía con un 64% y el Pacífico

con un 57%. A partir de una comparación étnica, los grupos indígenas tienen la mayor proporción de

inseguridad alimentaria del país equivalente a un 77%,lo cual difiere en 25 puntos porcentuales con

respecto al 52% calculado para individuos sin pertenecía étnica(ICBF, 2015).

Fogel et al. (2011), citan a Dasgupta (1993), para mencionar que la desnutrición tiene diversas

consecuencias, aunque todas dirigidas al deterioro de la vida: en mujeres embarazadas afecta el

crecimiento del feto y como consecuencia su estado de salud al nacer; afecta la lactancia de las

madres, causa fatiga, disminuye la resistencia a enfermedades, causa debilidad en los músculos,

retardos en el crecimiento, aumenta la morbilidad, la vulnerabilidad a las infecciones, afecta el

crecimiento del cerebro e influencia la capacidad mental por el daño al sistema nervioso, reduce la

energía que los niños tienen para aprender, disminuye la capacidad para hacer trabajo físico, y

disminuye la esperanza de vida (Floud, Fogel, & Chul, 2011).

La refrigeración mitiga el riesgo que tienen los alimentos de adquirir microorganismos y afectar

gravemente la salud de las personas (Mendoza Roca, Alfaro Diaz, & Paternina Arboleda, 2015). Es

uno de los procesos necesarios para mejorar la seguridad alimentaria en la población, por lo cual es

necesario generar oportunidades principalmente en la población más vulnerable, tanto para la

refrigeración como para el congelamiento de productos alimenticios perecederos. Es importante

observar que se tiene también una connotación económica asociada a la pérdida de los productos,

no solo en ámbitos domésticos sino también comerciales.


43

2.11. Aplicaciones específicas de la refrigeración

A continuación, se enmarca la importancia del proceso de refrigeración de productos perecederos,

entre ellos, los vegetales, las frutas, el pescado y las vacunas, en relación con las necesidades de

las ZNI.

2.11.1. La refrigeración de alimentos

Teniendo clara la importancia de la refrigeración para mitigar las consecuencias de la falta de

seguridad alimentaria, resulta útil evaluar las temperaturas óptimas de refrigeración de los alimentos

más consumidos o producidos en las ZNI. Para ello se utilizó información suministrada por el Tercer

Censo Nacional Agropecuario (DANE, s. f.), con la cual se inició definiendo los porcentajes de uso

del suelo para actividades agrícolas, estableciendo un marco de potencial de producción en los

departamentos con ZNI. En el Anexo 7. Distribución del uso del suelo en los departamentos

principales con ZNI se muestra una tabla de resultados, en la cual se observa que en promedio

emplean el 32% del área disponible en actividades agropecuarias, el 64% se destina en bosques y el

restante 4% en otros usos Del porcentaje de área destinada a actividades agropecuarias, en general

se usa un 23% o más en actividades agrícolas, separando de las actividades pecuarias y de los

bosques. Cabe observar que, para departamentos como Caquetá, Putumayo, Chocó, Vaupés,

Amazonas, Guaviare, y Guainía, más del 80% y en algunos el 100% del terreno está destinado a los

bosques.

Una vez definido el potencial de cultivo se procedió con la identificación de principales frutas y

verduras cultivadas por departamento, cuyos resultados se muestran en el Anexo 8.Se destaca que

para algunos departamentos es importante el cultivo de plátano, yuca, papa, banano, cítricos,

papaya, aguacate, piña, y algunos cereales. Cada uno de los productos identificados como más

importantes en cada región se muestran en la Tabla 4 en donde se exponen las temperaturas

óptimas, humedad relativa y el tiempo de conservación en cada caso, encontrando que la

temperatura óptima no suele ser menor a los 0 °C y que los periodos de conservación varían en un

rango que va desde una semana (como el caso del plátano) hasta un año (como en el caso de las

hortalizas).


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Tabla 4. Condiciones óptimas y tiempo de conservación de alimentos cultivados y consumidos en las ZNI.

Producto Temperatura optima % Humedad Relativa Conservación

Aguacate 3 a 13°C 85 a 90 2 a 8 semanas

Arveja 4 a 5°C 95 1 semana

Ahuyama 10 a 13°C 50 a 70 8 a 12 semanas

Banano 13 a 15°C 90 a 95 1 a 4 semanas

Chirimoya -0.5 a 1°C 85 a 90 8 a 12 semanas

Chontaduro 6°C 75 2 semanas

Naranja 3 a 9°C 85 a 90 3 a 8 semanas

Coco 0 a 15°C 80 a 85 4 a 8 semanas

Cocotero 0 a 15°C 80 a 85 4 a 8 semanas

Guayaba 5 a 10°C 90 2 a 3 semanas

Hortalizas 10°C 55 a 60 24 a 52 semanas

Limón 9 a 10°C 85 a 90 6 a 8 semanas

Maracuyá 7 a 10°C 85 a 90 3 a 5 semanas

Ñame 16°C 70 a 80 25 a 29 semanas

Papa 3 a 4°C 90 a 95 20 a 32 semanas

Perejil 0°C 95 a 100 4 a 9 semanas

Pimentón 7 a 13°C 90 a 95 2 a 3 semanas

Piña 7 a 13°C 85 a 90 2 a 4 semanas

Pitaya 6 a 8°C 85 a 95 2 a 3 semanas

Plátano 13 a 14°C 90 a 95 1 a 5 semanas

Repollo 0°C 95 8 a 12 semanas

Tomate de árbol 7°C 90 a 95 8 semanas

Uchuva 4 a 10°C 80 a 95 5 semanas

Yuca 0 a 5°C 85 a 90 4 a 9 semanas

Zanahoria 0°C 98 a 100 4 a 6 semanas

Fuentes: Adaptado de (Aste, Del Pero, & Leonforte, 2017b), (FAO,1996)(Aste et al., 2017b), (CCB,

2015), (Galvis, Fischer, & Gordillo, 2005), (Erazo & Murillo, 1995)

Es importante tener en cuenta también las condiciones de conservación de productos de origen

animal a través de la refrigeración. En la Tabla 5 se resumen los periodos de conservación de los

principales productos al ser almacenados en temperaturas de 4 °C y -18 °C, en donde se observa

un considerable aumento al pasar de días a meses de conservación. Esta información puede llegar a

ser importante en la definición del parámetro de temperatura mínima ideal en el dispositivo.


45

Tabla 5. Periodo de conservación de productos de origen animal en refrigeración y congelación.

Producto Refrigeración a 4°C Congelado a -18°C

Huevos 21 a 35 días No congelar

Salchichas 14 días 1 a 2 meses

Tocino 7 días 1 mes

Carnes 3 a 5 días 4 a 12 meses

Pollo en presas 1 a 2 días 9 meses

Pescados magros 1 a 2 días 6 a 8 meses

Pescados grasos 1 a 2 días 2 a 3 meses

Fuente: Adaptado de (FDA, 2018)

2.11.2. La pesca y la acuicultura

Dada la cercanía con el mar de algunos departamentos con ZNI se podría inferir que la pesca es una

actividad potencial para su economía en todos los casos. Sin embargo, el departamento de Bolívar

tiene un potencial de exportación de pescado mucho más alto, en comparación con otros

departamentos como Nariño y Valle del Cauca, ubicados en un segundo y tercer lugar dentro de la

escala. Esto podría deberse a la imposibilidad de mantener la cadena de frio, ya que, dada la

ausencia de refrigeración continua, el pescado no se puede preservar, y por lo tanto este debe ser

comercializado a precio del comprador, lo cual perjudicaría a los comerciantes que, de no vender,

tendrían que desechar el producto asumiendo consecuencias económicas y además ambientales

(residuos y olores) (Procolombia, 2014a).

En el mapa del estado de información pesquera en Colombia consultado a través del Servicio

Estadístico Pesquero Colombiano (SEPEC), y mostrado en el Anexo 9. Mapa del estado de la

información pesquera en Colombia, se puede observar que en el país se tiene una ausencia de

información sobre la actividad pesquera. Sin embargo, es útil ver que entre las ZNI las que mayor

actividad pesquera presentan se encuentran en la zona del Pacífico y la zona Caribe, seguidas por

Antioquia y la zona de Orinoquía, algo que es razonable dada la ubicación de las zonas y su

cercanía con las fuentes hídricas.

La OCDE en el año 2016 a través del Journal Of Sea indicó que la actividad de la pesca en

Colombia se desarrolla principalmente en las costas del Pacifico, el Atlántico, y en las principales

cuencas de los ríos Magdalena, Amazonas, Orinoco y Sinú (OCDE, 2016). A su vez, esta actividad

la desarrollan empresas altamente industrializadas y pescadores artesanales (aproximadamente

150.000, según estimación del Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural junto con la Autoridad

Nacional de Acuicultura y Pesca), quienes a través de diversas técnicas logran capturar la tercera

parte de la producción pesquera del país. Entre los problemas que afectan la competitividad y

desarrollo del país alrededor de esta actividad, se encuentran el transporte, las dificultades en los

puntos de desembarco, los muelles, la infraestructura de almacenamiento y la cadena de frio. La

Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO, 2015), informo que


46

el sector pesquero en Colombia no contribuye significativamente al PIB (2% aproximadamente), pero

para familias que habitan en zonas rurales es una oportunidad de obtener ingresos, alimentación y

empleo. El DANE, en un censo realizado en el año 2012, determinó que entre las características de

los pescadores artesanales se encuentra la falta de acceso a la educación, situaciones de

analfabetismo y muy bajos ingresos económicos (DANE, 2014) lo cual ratifica la importancia de la

actividad pesquera para sus familias (Esquivel et al., 2014).

2.11.3. La refrigeración de vacunas

La vacunación es clave para crecer mitigando el riesgo de enfermedades, lo cual la hace un factor

fundamental para cualquier país dado que las bajas coberturas son causantes de altas tasas de

mortalidad y morbilidad (Organización Panamericana de la Salud, 2013). Según la Organización

Mundial de la Salud (OMS), se pueden evitar hasta 1,5 millones de muertes anuales en el mundo

mediante la vacunación, ya que previene varias enfermedades. Algunas de ellas se ilustran en la

Tabla 6, en donde se relacionan los periodos de estabilidad según las temperaturas de

conservación, teniendo variaciones que van desde los 7 días (entre 22 °C y 25 °C) hasta los 3 años

(entre 2 °C y 8 °C) como es el caso de la vacuna de Influenza tipo B.


47

Tabla 6. Estabilidad de las principales vacunas en Colombia según temperaturas de conservación.

Edad Nombre Vacuna Enfermedad que previene Estabilidad

2°C a 8°C 22°C a 25°C

Entre los 0 y 5 años

Tuberculosis BCG Meningitis tuberculosa 18 meses

30% de pérdida de

viabilidad en 3 meses

Hepatitis B Hepatitis B 4 años 1 mes

DTP Difteria, Tosferina y Tétanos Hasta fecha vencimiento

Se desconoce

Influenza tipo B Meningitis y otras enfermedades causadas por la influenza tipo b

2 a 3 años 7 días

Polio Poliomielitis 1 año a 4

años 20 días

Rotavirus Diarrea por rotavirus 2 años 12 horas

Neumococo Neumonía, otitis, meningitis, y

bacteriemia 2 años 21 días

SRP Sarampión, Rubeola y Paperas Hasta fecha vencimiento

Se desconoce

Varicela Varicela 1 año 6 horas

Hepatitis A Hepatitis A 3 años 14 días

Fiebre Amarilla Fiebre Amarilla 3 años Se

desconoce

Gestantes

Influenza estacional Enfermedad respiratoria por

influenza 2 a 3 años 7 días

TdaP Tétanos Neonatal, Difteria, Tos

ferina al recién nacido Hasta fecha vencimiento

se desconoce

Mayor a 60 años

Influenza estacional Enfermedad respiratoria por

influenza 2 a 3 años 7 días

Viajeros Fiebre Amarilla Fiebre Amarilla 3 años Se

desconoce

Fuentes: Adaptado de (AEP, 2018), (MINSALUD,2017) y (MINSALUD, 2016)

En Colombia, se han realizado estudios que demuestran que los departamentos de Cauca,

Cundinamarca, Chocó, Guainía, Vaupés y Vichada (en su mayoría pertenecientes a las ZNI) tienen

una alta tasa de muerte infantil debido a enfermedades que pueden ser causadas por la ausencia de

vacunación (José & Caicedo, 2013). Teniendo una meta establecida de cobertura superior al 95% en

el Plan Decenal de Salud Pública del país 2012 – 2021, (Decenal, 2012), en contraste con Anexo 10,

se evidencia que en las ZNI hay un problema de cobertura.


48

Se debe tener claro que las deficiencias en la cadena de frio sobre el almacenamiento y transporte

de vacunas eliminan la inmunidad que estas proporcionan frente a las enfermedades (CONPES,

2008). El gobierno colombiano ha invertido en gran medida para la financiación de la construcción de

cuartos fríos y en general el mejoramiento de la red de frio para fortalecer la capacidad de la red de

vacunación en el país. Se mencionan inversiones de 10 mil millones COP por parte del CONPES

123 destinado al mejoramiento del equipo para conservación de vacunas especialmente en áreas

rurales. Además, en el año 2007 se destinaron 600 millones COP para la ampliación y

mantenimiento de la red de frio a nivel departamental y distrital; en el año 2009 la inversión fue de

2.791 millones COP (Ministerio de la Protección Social & Salud, 2010).

Por lo anterior, la incorporación de dispositivos de almacenamiento de vacunas es una posible

contribución al mejoramiento de la situación problemática, impactando directamente en la protección

de la vida de gran parte de la población en ZNI. Por ejemplo, en el caso de la fiebre amarilla, todos

los departamentos con ZNI tienen recomendación de vacunación por prevención, a excepción de

Nariño, Cauca y Valle del Cauca (MINSALUD, 2018).

2.12. Árbol de problemas y árbol de soluciones sobre la refrigeración

Un árbol de problemas es un diagrama que permite organizar las ideas alrededor de un tema

reconociendo a su vez el problema focal o central que se desea solucionar. Esto implica identificar

los diferentes problemas y relacionarlos entre sí de forma causal, tal que al establecer el problema

principal (de mayor importancia) se logren identificar las principales causas y sus efectos (Sanchez,

2007). A partir de un árbol de problemas es posible generar un árbol de objetivos el cual permitiría

identificar las áreas de intervención que plantearía un proyecto. Para realizar el árbol de objetivos es

necesario revisar cada problema convirtiendo su efecto negativo en un objetivo positivo deseable, tal

que las causas se conviertan en medios y los efectos en resultados (R. Martínez & Fernández,

2010).

Teniendo presente la situación problemática descrita sobre las limitaciones de acceso a la

refrigeración y las necesidades particulares en las ZNI, la Figura 7 muestra el Árbol de Problemas

representativo del contexto. Como resultado de la investigación sobre el contexto de las ZNI, se

encontró que la mayoría de los proyectos relacionados que se plantean en el país demandan alta

cantidad de recursos económicos y de tiempo, lo cual contrasta con las características principales de

las ZNI (pobreza, aislamiento, baja densidad poblacional, entre otras) ocasionando el desinterés del

sector privado por invertir en soluciones para estas zonas; de las que aparentemente no obtendrán

una rentabilidad significativa. Por otro lado, teniendo en cuenta las problemáticas políticas que se

viven en el país, es recurrente que a pesar de que el sector público tiene diversidad de entidades

encargadas, estudios, y planes de acción, se llevan a cabo proyectos que no son suficientes para

resolver las necesidades de los usuarios; la tendencia a enfocarse en el desarrollo crece desde la


49

teoría, mientras que en la práctica inversionistas públicos y privados encuentran pocos estímulos

para llevar recursos a las zonas más aisladas del país. Algunas soluciones del gobierno para

energizar las ZNI funcionan de manera intermitente y dado que los dispositivos convencionales

requieren fuentes continuas de energía para su correcto funcionamiento, persiste la limitación

técnica. Finalmente, en la sección de causas, la ausencia de información específica sobre el

contexto de las ZNI en procesos como la refrigeración, ocasiona que así mismo no se presenten

suficientes iniciativas para apoyar estas zonas del país.

En el foco del presente trabajo está el problema de las limitaciones técnicas que existen para

refrigerar y congelar productos perecederos cuyas consecuencias repercuten en temas vitales como

la seguridad alimentaria, el desperdicio de alimentos, la ausencia de equipos eficientes para el

almacenamiento de vacunas, y la disminución de la competitividad de algunos sectores de la

economía. Así, como consecuencias finales el árbol muestra la persistencia de las características

asociadas a la pobreza (eje social y económico) y la baja cobertura en vacunación y servicios de

salud (eje de salud), en medio de lo cual se encuentran problemas como el desbalance entre la

inseguridad alimentaria y la pérdida de alimentos, el desaprovechamiento de oportunidades

económicas potenciales en las ZNI (como lo son la agricultura y la pesca) y la baja capacidad de

almacenamiento de vacunas.


50

Figura 7. Árbol de problemas sobre la problemática de refrigeración en ZNI. Fuente: Elaboración propia con base en revisión bibliográfica


51

A partir del árbol de problemas, en la Figura 8 se establece el árbol de soluciones, también conocido

como árbol de objetivos con el fin de definir cuáles son los medios y las acciones que contribuyen a

la mitigación de las consecuencias ocasionadas por el problema ya mencionado y sus respectivas

causas. Se tiene como objetivo principal la inclusión de dispositivos para refrigerar y congelar

productos perecederos en ZNI. El principal medio en el árbol de objetivos es la documentación de

información disponible alrededor de la problemática, lo cual resulta primordial en el contexto de las

ZNI ya que las necesidades y las condiciones de las diferentes comunidades en el país no

necesariamente son las mismas, lo cual por consiguiente puede generar variaciones en las

soluciones de refrigeración las cuales deberían adecuarse a dichas características particulares. Se

debe tener en cuenta además que la obtención de información actualizada de cada una de las

localidades presenta dificultades incluso para entidades como el CNM dada la falta de medios

eficaces de comunicación. Teniendo un marco de información real, el árbol de objetivos indica que

es posible generar iniciativas para incentivar el desarrollo de soluciones tecnológicas para las ZNI, lo

cual sería un primer paso en la consecución y puesta en marcha real de proyectos de mitigación a

las consecuencias de la falta de acceso a la refrigeración. Las entidades que intervendrían como

medios de financiamiento y desarrollo pueden ser tanto entidades públicas como privadas, en tanto

las entidades públicas (como por ejemplo IPSE), tienen funciones de mejoramiento continuo de la

calidad de vida de la población, mientras que las entidades privadas podrían tener intereses

alrededor de la inversión social. La investigación sobre los dispositivos de refrigeración es otro de los

medios indicado en el árbol de objetivos, donde lo primordial es buscar adaptar estas tecnologías al

contexto de las ZNI lo cual implica a su vez una adaptación frente a las FNCER, en tanto se tiene

como premisa que son las fuentes de energía más adecuadas.

Como resultados finales en el árbol de objetivos se plantea en primera instancia una reducción de

las condiciones que influyen en la seguridad alimentaria dada la disminución de la pérdida de

productos perecederos, así como también un aumento de la capacidad de almacenamiento de

fármacos. Por otro lado, la implementación de dispositivos para refrigerar y congelar generaría

también una mayor rentabilidad para la población de pescadores artesanales al disminuir la pérdida

por no almacenamiento de sus productos, mientras a su vez tendrían la oportunidad de negociación

con sus clientes al disponer de un mayor periodo de conservación, esto suponiendo la

implementación de tecnologías eficaces. Así mismo, otros sectores como la agricultura pueden verse

beneficiados con el aprovechamiento de las oportunidades económicas que el acceso a la

refrigeración les permite, principalmente alrededor de la conservación de productos perecederos.

Dentro de los resultados finales en el árbol de objetivos se tiene un aumento de las características

asociadas al desarrollo económico, lo cual implica beneficios en los ejes social y económico

principalmente, mientras que, por otro lado, en el eje salud el resultado final sería el sería el aumento

de la cobertura en vacunación, así como otros servicios en relación con la disponibilidad de

fármacos.


52

Figura 8. Árbol de objetivos alrededor la problemática de refrigeración en ZNI. Fuente: Elaboración propia

53

Capítulo 3. Marco teórico y referencial

3.1. Introducción

El presente capitulo tiene como objetivo la descripción técnica de las diferentes tecnologías de

refrigeración existentes con Fuentes No Convencionales de Energía Renovable (FNCER), cada una

de las cuales debería tener algún grado de factibilidad en cuanto a su aplicabilidad en zonas

aisladas de la red.

Se inicia enmarcando las ventajas y desventajas que se pueden obtener con la incorporación de las

FNCER en el país, las principales brechas que impiden su desarrollo, su uso a nivel mundial y

aplicabilidad en las ZNI de Colombia. Esto es importante para poder caracterizar previamente las

opciones de suministro energético para las tecnologías de refrigeración. Se encuentra que, aunque

existen suficientes recursos locales como la biomasa, la radiación y el viento, los cuales se podrían

emplear en la energización general del país, esta es una tarea que puede tomar varios años en su

realización requiriendo sumas considerables de inversión. Estas son algunas de las razones por las

cuales el presente trabajo se enfoca en resolver una necesidad específica que se crea a partir de la

ausencia de la energía: la refrigeración.

Posteriormente se exponen y describen las tecnologías y dispositivos de refrigeración existentes con

potencial de aplicación en ZNI, donde se incluyen las tecnologías por compresión, absorción,

adsorción, termoeléctrica y Stirling. Se describe el ciclo de refrigeración característico en cada una

de ellas, los componentes principales, rango de temperaturas ofrecido, confiabilidad, desarrollos y

ejemplos aplicados en zonas no conectadas a la red, entre otras características. Al finalizar se

realiza una descripción conceptual sobre las metodologías de selección (QFD y análisis jerárquico

de decisión), las cuales serán aplicadas en el capítulo posterior.

3.2. Fuentes no convencionales de energía

Las FNCER y su incorporación se encuentran motivadas por diversas razones, una de ellas es el

riesgo asociado a la energía hidroeléctrica ya que, por fenómenos de la naturaleza como por

ejemplo el fenómeno del niño, se presentan etapas de escases del recurso hídrico que incurren en el

aumento de los costos por energía, el aumento en los precios de la electricidad y el aumento del

precio del gas natural (debido a los costos de infraestructura, producción, etc.) (UPME, 2015a).

Capítulo 3: Marco teórico y referencial

54

Quienes implementan FNCER tienen la posibilidad de disminuir los costos de producción, generar

crecimiento económico, aumentar su competitividad y evitar la incertidumbre en costos que

caracteriza la energía convencional. También se tienen incentivos como el marco legal establecido

en la Ley1715 del 2014, la cual promueve su desarrollo y utilización en el país. A pesar de las

ventajas, existen barreras en el contexto colombiano que limitan la participación de las FNCER,

dentro de las cuales se encuentran: (UPME, 2015a)

• Existen zonas con ventajas ambientales para la incorporación de las FNCER, sin embargo,

su ubicación geográfica impide la interconexión con la red del SIN, lo cual hace que resulten

poco atractivas para el sector privado.

• No hay capacitación suficiente para lograr implementar y mantener estas nuevas

tecnologías.

• La información existente es confusa: la normatividad en el país no es precisa y además no

se encuentran documentados suficientes datos sobre el desarrollo de proyectos de

energización y sus respectivos resultados o impacto.

• El gobierno subsidia la utilización de unidades electrógenas para el suministro energético en

algunas ZNI, aun cuando se sabe tienen altas tasas de emisión de gases de efecto

invernadero, son más costosas que las fuentes convencionales y son poco eficientes.

• Pequeños inversionistas tienen pocas posibilidades de adquirir un crédito con el fin de

energizar incluso pequeñas unidades (como sus propias viviendas) a través de las FNCER.

A continuación, se realiza una descripción particular sobre las principales tecnologías FNCER

utilizadas en la actualidad.

3.2.1. Energía eólica

Descripción: se conoce como energía eólica a la energía cinética del movimiento del aire; esta se

transforma en energía mecánica rotacional implementada en el funcionamiento de molinos, bombas

de agua, entre otras, transformándose en energía eléctrica a través de un generador. La producción

de energía a partir de viento depende directamente de la velocidad del viento, que a su vez está

influida por la presión, la temperatura, la densidad del aire, entre otras condiciones. Las unidades

para medir la densidad de potencia eólica son 𝑊/𝑚2 a cierta altura (Gómez, 2011) (Erbetta Mattig,

2010).

Para la generación de energía eólica se utilizan aerogeneradores que por lo general están

integrados por un rotor, acoplados con palas que transforman la energía cinética en mecánica. Se

tiene una góndola que transforma la energía mecánica en eléctrica mediante otros componentes

internos; se tiene también un multiplicador para amplificar la velocidad de giro emitida hacia el rotor y

una torre que soporta todos los componentes (Gómez, 2011). En la Figura 9, se observan los

componentes y el aspecto que tiene un sistema de generación energía eólica.


55

Figura 9. Esquema de componentes para la generación de energía eólica.

Fuente: Tomado de (Asenso & Cepel, 2010)

Ventajas y desventajas: la energía eólica es una oportunidad para zonas aisladas sin acceso a

interconexión ya que permite la generación de energía cerca a los lugares finales de consumo,

además de que es de sencilla instalación (Almonacid & Nahuelhual, 2009). Su principal desventaja

es el requerimiento de condiciones ambientales específicas, entre ellas una alta velocidad del viento,

lo cual no se presenta en todas las zonas geográficas; además su implementación requiere que se

disponga de grandes extensiones de tierras

Uso en Colombia: En el Anexo 11. Mapa densidad energía eólica, se observa que para las ZNI hay

oportunidades y potencial de incorporación de FNCER basadas en energía eólica en algunas partes

de los departamentos de La Guajira, Magdalena, Nariño y Cauca.

3.2.2. Energía solar

Descripción: La energía solar es aquella energía trasmitida por el sol a través de ondas

electromagnéticas. Esta puede ser aprovechada como energía solar fotovoltaica o como energía

solar térmica; ambas alternativas funcionan para generar energía eléctrica, con la diferencia de que

la segunda se utiliza principalmente para calentar fluidos. Las unidades de la energía del sol que

incide sobre la tierra (irradiación) se mide en 𝑘𝑊ℎ/𝑚2(SI). La energía fotovoltaica se genera a

partir del efecto fotoeléctrico, que consiste en el fenómeno a partir del cual las partículas de luz

emitidas por el sol (fotones) inciden en módulos diseñados para su recepción desprendiendo

electrones, momento en el cual se empieza a generar corriente. En la Figura 10 se representan los

componentes de un sistema fotovoltaico, entre los cuales se pueden distinguir el módulo o

generador fotovoltaico, en el cual se da el proceso de transformación de energía solar a eléctrica, el


56

regulador de carga, que controla situaciones de sobrecarga o sobre descarga, la batería, que

funciona como almacén energético y el inversor, el cual, en los casos en los cuales no se requiera

de corriente continua (CC), convierte la CC en corriente alterna (CA), de tal forma que la energía sea

aprovechable por dispositivos que requieran de CA (Gómez, 2011).

Figura 10. Esquema de componentes de un sistema solar fotovoltaico

Fuente: Tomado de (Merry, 2006)

La Figura 11 representa el esquema de un sistema de energía solar térmica en el cual se tiene una

entrada de agua fría que cruza uno o varios captores solares conectados entre sí los cuales se

encargan de aumentar la temperatura del agua, para luego almacenarla temporalmente en un

acumulador a partir del cual se direcciona su consumo en aplicaciones como por ejemplo la

calefacción de agua sanitaria, la calefacción de hogares, etc. (Merry, 2006).

Figura 11. Esquema de componentes de un sistema de energía solar térmica. Fuente: Tomado de (Merry, 2006)


57

Ventajas y desventajas: Los módulos fotovoltaicos se caracterizan por ser diseños poco complejos

y fáciles de operar. En temas económicos, el costo de este tipo de energía ha decrecido

significativamente. Una ventaja medioambiental es que la energía solar se encuentra en el orden de

50 kg CO2 eq/MWh lo cual la hace muy atractiva para las ZNI en las que el uso de combustibles

fósiles puede emitir valores por encima de 450 kg CO2 eq/MWh (UPME, 2015a).

Entre los aspectos limitantes de la energía solar se encuentra el gran área que requieren algunas

superficies de captación, el alto grado de dependencia del contexto climático, y los factores de

eficiencia, los cuales tienden a ser bajos (Escobar, Holguin, & Osorio, 2010).

Uso en Colombia y el mundo: En países como Alemania por ejemplo, a lo largo del tiempo ha

aumentado considerablemente la capacidad de generar energía eléctrica y la disponibilidad del

recurso para los habitantes (Lohani et al., 2014).El promedio de radiación de dicho país es de 3.0

kWh/m2*día (UPME, 2015a), un valor mucho menor al promedio de las regiones en Colombia,

como se observa en la Tabla 7 en donde se muestra la irradiación promedio en las regiones del país.

Cabe mencionar que el potencial solar en Colombia se ve favorecida por su ubicación geográfica,

donde no existe influencia por parte de estaciones.

Tabla 7. Irradiación promedio en las regiones de Colombia.

Región Irradiancia Promedio(𝒌𝑾𝒉/𝒎𝟐 ∙ 𝒅𝒊𝒂)

Guajira 6,0

Costa Atlántica 5,0

Orinoquía 4,5

Amazonía 4,2

Región Andina 4,5

Costa Pacífica 3,5

Fuente: (UPME, 2015a)

En el Anexo 12. Mapa de irradiación solar, se puede observar que cada uno de los departamentos

que conforman las ZNI posee un alto potencial aprovechable en el recurso solar. Para estas

regiones, dicha fuente de energía presenta ventajas alrededor del aumento de su accesibilidad con

la disminución de sus costos, además de que es adecuada para la pequeña escala en el sector

residencial y comercial, ya que es fácil de instalar (UPME, 2015a).

3.2.3. Energía con biomasa

Descripción: La energía con biomasa puede definirse como la energía solar almacenada en los

seres vivos por medio de la fotosíntesis, por lo cual puede encontrarse en estado natural en los

vegetales. También puede obtenerse biomasa de origen animal dada la digestión realizada de

vegetales (P. R. Martínez, 2009). Los residuos de procesos agrícolas son las principales formas de

biomasa los cuales pueden ser utilizados para la generación de energía eléctrica que alimente

sistemas de refrigeración, calefacción, entre otros. Para la obtención de energía eléctrica a partir de


58

biomasa se realizan procesos termoquímicos entre los que se encuentran combustión y gasificación.

Puede ser utilizada como combustible de manera directa para producir calor, como en el caso de la

leña. También es posible transformarla en biocombustibles como el biodiesel y el bioetanol. Cuando

se utiliza para generar electricidad se emplea a través de sistemas que evaporan el agua contenida

circulando el vapor a través de turbinas.

Para su uso se requiere la implementación de estructuras complejas incluyendo fuentes de

cogeneración los cuales involucran componentes como calderas y grandes volúmenes de espacio

requerido (Cerdá Tena, 2012), sin embargo, en países subdesarrollados se le da un gran uso en

aplicaciones de menor escala que utilizan leña para cocinar los alimentos e iluminar áreas (UPME,

2015a). En la Figura 12 se observan los procesos requeridos en una central de cogeneración

mediante biomasa aprovechando el cultivo y la recolección de madera, la cual es astillada,

dosificada y procesada en una caldera de tal forma que se retira el agua para alimentar una serie de

turbinas que permitan funcionar generadores y transformadores de energía eléctrica.

Figura 12. Central de cogeneración mediante biomasa Fuente: Tomado de (P. R. Martínez, 2009)

Ventajas y desventajas: a diferencia de otros tipos de energía renovable, la energía de biomasa no

depende de características meteorológicas ya que después de contar con la materia prima y las

máquinas de procesamiento, se encuentra garantizada la prestación del servicio. A pesar de lo

anterior, la generación de energía eléctrica a partir de biomasa puede ser compleja dados los

requerimientos técnicos que se demandan, además tiene altos índices de humedad y volatilidad, lo


59

cual no le permite tener un alto poder calorífico. Por lo general, la biomasa tiene bajos niveles de

eficiencia y puede llegar a contaminar el entorno de quienes rodean las plantas de generación

debido a la emisión de gases (Cerdá Tena, 2012).

Uso en Colombia y el mundo: Los países en los cuales se ha desarrollado el uso de biomasa para

la generación de energía eléctrica por lo general abren centrales de cogeneración, a partir de las

cuales se distribuye la energía; Estados Unidos, Alemania, Brasil, y Finlandia son los países que

lideran la aplicación de este tipo de energía (UPME, 2015a)

De acuerdo con Anexo 13. Mapa potencial energético utilizando biomasa, en donde se muestra el

mapa de potencial energético de biomasa en Colombia, se evidencia que este tipo de energía tiene

un bajo potencial de incorporación en las ZNI. Únicamente una parte del departamento de Nariño

(departamento con ZNI) parece tener potencial, sin embargo, corresponde al municipio de Tumaco,

que no hace parte de las ZNI.

3.2.4. Energía geotérmica

Descripción: La energía geotérmica es la energía térmica contenida en el interior de la tierra la cual

se obtiene a partir de la perforación de la superficie terrestre en terrenos cercanos a volcanes, en

búsqueda de fuentes de agua a altas temperaturas para realizar conexiones que permitan la

generación de la energía. Esto involucra maquinaria pesada y alta capacitación técnica, entre otros

requisitos que la hacen la más compleja de los tipos de energía consultados en el presente trabajo

(Valenzuela, 2011). Existen yacimientos de muy baja, baja, media y alta temperatura, tal que los de

baja temperatura abarcan entre 20 y 30 °C, siendo útil en la producción de agua caliente sanitaria y

sistemas de climatización; los yacimientos de baja temperatura abarcan entre 60 y 100 °C y son

útiles para aplicaciones directas del calor tanto de forma residencial, como industrial y agrícola. Los

yacimientos de media temperatura involucran temperaturas entre los 100 y 150 °C siendo útil en la

producción de electricidad, aunque con rendimientos termodinámicos muy bajos, por lo cual resulta

más aprovechable en aplicaciones de calefacción y refrigeración a través de máquinas de absorción.

Los yacimientos de alta temperatura, tal como se muestra en el esquema de la Figura 13, abarca

temperaturas entre los 150 y 350 °C, lo cual implica fuentes de calor magmático entre 1.500 y 2.250

m de profundidad tal como se ilustra en la figura. Las fuentes a alta temperatura permiten

aprovechar el agua caliente o el vapor para accionar turbinas en centrales geotérmicas de

producción de electricidad (P. R. Martínez, 2009).


60

Figura 13. Yacimiento geotérmico de alta temperatura. Fuente: Tomado de (P. R. Martínez, 2009)

Ventajas y desventajas: la energía geotérmica por lo general puede ser explotada localmente, es

decir, sin necesidad de que los países la importen, además por el recurso que utiliza, la fuente de

calor está disponible en todo momento, ofrece una alta confiabilidad siempre y cuando se cumplan

los requisitos tecnológicos. Además de ello se puede explotar por largos periodos de tiempo. Por

otro lado, tiene consecuencias ambientales entre las que se encuentran la demolición de

ecosistemas, la posible contaminación del ambiente con ácido sulfhídrico, y la limitante de que no se

puede transportar la fuente de agua, por lo tanto, requiere de redes de distribución especializadas

(Valenzuela, 2011).

Uso en Colombia y el mundo: Estados Unidos, Filipinas e Indonesia lideran el uso de la energía

geotérmica en el mundo. Para el caso de Colombia, que se encuentra ubicado en el Cinturón de


61

Fuego del Pacífico, donde la temperatura natural del subsuelo es significativamente alta e

igualmente la actividad volcánica, el potencial de explotación se ubica en las zonas de los volcanes

Cerro Negro, Cumbal, Azufral, Galeras, Doña Juana, Sotará, Puracé, Nevado del Huila, Nevado del

Ruiz y Nevado del Tolima. Se considera que realizar la explotación de los recursos que necesita este

tipo de energía representa altos riesgos y costos especialmente en la fase exploratoria, además en

Colombia no existe una normatividad clara y definida ya que son pocas las empresas que se

encuentran realizando algún tipo de estudio al respecto (UPME,2015a).De acuerdo con lo anterior la

energía geotérmica no representa una oportunidad potencial para la de generación de energía en

ZNI, teniendo en consideración además que las fuentes principales de energía no se encuentran

cercanas a estas zonas del país.

3.3. Tecnologías de refrigeración con fuentes de energía no

convencional

A nivel general, los dispositivos de refrigeración tienen tres componentes principales: una caja

térmica aislada, un sistema de control para mantener la temperatura dentro de los umbrales

deseados y una tecnología de eliminación de calor, la cual puede ser activa o pasiva. Dentro de las

tecnologías pasivas se incluyen los métodos que no requieren de ningún tipo de energía o

equipamiento técnico para reducir la temperatura dentro del volumen enfriado; esto incluye los

contenedores enfriados usando hielo, las técnicas de secado, la refrigeración subterránea (utilizando

silos) y los enfriadores por evaporación; en estos casos los productos finales suelen ser espacios o

contenedores. Por otro lado, las tecnologías activas si utilizan una fuente de energía y un sistema

técnico, con un producto final definido habitualmente como un refrigerador o un congelador, dentro

de lo cual se incluyen los sistemas de compresión mecánica, la refrigeración de sorción accionado

por calor, la refrigeración termoeléctrica y la refrigeración Stirling. Mientras las tecnologías activas

pueden abarcar amplios rangos de temperatura de refrigeración, las tecnologías pasivas en general

permiten un rango de entre 10 y 20 °C (Barbieri, Colombo, Jerome, & Riva, 2015). Con el objetivo

de considerar un amplio rango de temperaturas de refrigeración se considerará la evaluación de las

tecnologías activas.

A continuación, se enuncia el funcionamiento de cada una de las tecnologías encontradas en la

consulta bibliográfica para conocer su potencial aplicabilidad en las ZNI. En la Tabla 10 de la sección

0, donde se comparan las diferentes características de cada tecnología, se amplía la información

sobre los dispositivos de refrigeración por compresión mecánica, por absorción, por adsorción, la

refrigeración termoeléctrica y Stirling. Otras tecnologías como la de refrigeración por eyector,

refrigeración magnética y refrigeración termoacústica, no representan oportunidades de aplicación

en las ZNI por aspectos como su costo, ausencia de prototipos e información, complejidad técnica,

entre otros.


62

3.3.1. Refrigeración por compresión mecánica o de vapor

El proceso de refrigeración por compresión de vapor funciona a partir de seis elementos principales

que son: compresor, condensador, evaporador, válvula de expansión, termostato, líquido refrigerante

y caja de almacenamiento. En la Figura 14 se representan las partes del proceso de enfriamiento, el

cual funciona utilizando un fluido refrigerante que se ubica en el evaporador, una tubería en forma de

serpentín que recibe calor de la caja en que se almacenan los productos a refrigerar. Cuando el

refrigerante aumenta su temperatura, habiendo recibido la transferencia de calor de la carga a

refrigerar, debe volver a disminuirla para garantizar la continuidad del ciclo; esto es detectado por el

termostato el cual envía una señal al compresor para que ejerza presión de tal forma que el

refrigerante se transporte hacia el condensador, dispositivo en el que se libera calor al ambiente y

debido al cambio de estado del líquido refrigerante se presenta una disminución de la temperatura y

la presión de la sustancia, convirtiéndola a estado líquido para luego ser recirculada al evaporador

cruzando por una válvula de expansión en la que se disminuye su presión de acuerdo con las

necesidades de refrigeración (Barbieri et al., 2015).

Figura 14. Representación de un sistema de refrigeración por compresión de vapor.

Fuente: Adaptado de (Isaza, 2015)

La tecnología por compresión es la más común en refrigeración, puesto que, de contar con fuentes

confiables de energía, el sistema funciona correctamente garantizando el cumplimiento de los

requisitos del usuario. Para zonas no conectadas a la red existen proyectos en los cuales la fuente

de alimentación de energía del compresor está directamente conectada con paneles solares y/o

celdas fotovoltaicas; en la sección 3.4, se encuentran expuestos algunos de los dispositivos que ya

han sido desarrollados.


63

3.3.2. Refrigeración impulsada por sorción de calor

La tecnología por sorción de calor tiene un ciclo similar al de la refrigeración por compresión, con la

diferencia de que en lugar de emplear un compresor utiliza un sistema de generación accionado por

transferencia de calor, lo cual se logra aprovechando la atracción física o química entre pares de

sustancias. Es la única tecnología capaz de transformar energía térmica directamente en trabajo de

enfriamiento, alimentándose con calor residual, energía solar o combustibles tradicionales. Una de

las ventajas de los sistemas de sorción es el hecho de que utiliza muy pocas e incluso ninguna parte

móvil, lo cual se traduce en menores requerimientos de mantenimiento. Son además fáciles de

controlar, no producen vibraciones ni ruido y utilizan gases con bajo o nulo potencial de GEI (Gases

de Efecto Invernadero). Sin embargo, tienen una menor eficiencia en comparación con los sistemas

de refrigeración por compresión. Varios dispositivos de refrigeración solar por sorción se han

implementado con éxito en zonas rurales donde se cuenta con radiación solar ampliamente

disponible (Aste et al., 2017b).

Los ciclos de sorción pueden caracterizarse en abiertos o cerrados (Sarbu & Sebarchievici, 2015a).

Cuando se trata de un sistema abierto se utilizan desecantes, los cuales son eliminadores de la

humedad del aire en un determinado ambiente; este ciclo suele emplearse en aplicaciones de

humidificación y deshumidificación de ambientes. Los sistemas cerrados por otra parte cumplen con

propósitos de refrigeración, teniendo dos tipos de funcionamiento: refrigeración por absorción y

refrigeración por adsorción.

3.3.2.1. Refrigeración por absorción

En el ciclo de refrigeración por absorción se utiliza un par de trabajo en donde el fluido absorbente

tiene una alta afinidad hacia el refrigerante (el cual tiene una temperatura de ebullición menor), es

decir, exhibe un fuerte potencial para absorber la fase de vapor del refrigerante (hasta cierta

temperatura en el absorbente(Sarbu & Sebarchievici, 2015a). El par de trabajo

refrigerante/absorbente puede ser por ejemplo 𝑁𝐻3/𝐻2𝑂 (amoniaco/agua) o, 𝐻2𝑂/𝐿𝑖𝐵𝑟

(agua/bromuro de litio) (Allouhi et al., 2015).

Una máquina de absorción consta de cinco componentes principales: un generador (o desorbedor),

un absorbente, una válvula de expansión, un condensador y un evaporador. En el generador ingresa

el par de trabajo en forma de mezcla; allí se le suministra calor (a través de una fuente de calor

residual, calor solar o algún combustible fósil), hasta llegar a cierta temperatura en la que el

absorbente pierde la capacidad de retención del refrigerante y lo libera en forma de vapor

(desorción) haciendo que fluya hacia el condensador en donde liberaría calor pasando a estado

líquido (condensación). Mientras que, por un lado, el absorbente obtenido al final de la desorción se

hace circular desde el generador hasta el absorbente (lo cual puede darse en un mismo espacio

para ciclos intermitentes), el refrigerante al salir del dispositivo de condensación pasa por una

válvula de expansión que regula su presión para darle paso al evaporador, en donde absorbe el

calor de la carga que se desee enfriar, pasando de nuevo a un estado gaseoso (Aste et al., 2017a).

El refrigerante en forma de vapor pasa de nuevo al absorbente en donde es absorbido formando de


64

nuevo una mezcla que posteriormente pasará al generador, iniciando nuevamente el ciclo

(N’Tsoukpoe, Yamegueu, & Bassole, 2014). El ciclo básico de absorción se representa en la Figura

15 relacionando los estados de temperatura y presión en cada una de las etapas del ciclo. Como se

observa, puede ser necesario la utilización de una bomba que transporte la mezcla de absorbente y

refrigerante desde el proceso de absorción hasta la etapa de generación (o desorción), lo cual

depende del diseño particular del dispositivo de refrigeración.

Figura 15. Ciclo básico de refrigeración por absorción.

Fuente: Tomado de (N’Tsoukpoe et al., 2014)

Es posible aumentar el COP (coeficiente de rendimiento) en el ciclo por absorción cuando se

dispone de una fuente de calor a mayor temperatura, agregando efectos o etapas, lo cual consiste

en aprovechar el calor que se rechaza en el efecto de mayor temperatura en un ciclo (efecto) de

menor temperatura. Un refrigerador por absorción de un ciclo de una sola etapa también conocido

como de simple efecto, en el cual no se aproveche el calor que se rechaza, el COP variaría entre 0.6

y 0.8. El COP puede aumentar a 1.35 para un ciclo de dos etapas (doble efecto) y aproximadamente

1.7 para una máquina de triple efecto. En caso de emplear un solo efecto se suelen utilizar

colectores solares de placa plana; con dos efectos se utilizan colectores de tubo de vacío; en caso

de un triple efecto son ideales los colectores parabólicos concentrados o colectores de tubos de

vacío (Allouhi et al., 2015). Cabe resaltar que mientras más efectos se consideren en el diseño,

mayor es la complejidad del sistema y, asimismo, aumentan factores como el mantenimiento

requerido y el costo, entre otros.


65

3.3.2.2. Refrigeración por adsorción

La tecnología de adsorción tiene un ciclo similar al de los sistemas de absorción, con la diferencia de

que el absorbente se encuentra en estado sólido y no líquido, siendo este normalmente un sustrato

sólido altamente poroso con grandes superficies internas, del orden de cientos de 𝑚2/𝑔. En el

mercado es posible encontrar pares de trabajo de agua como refrigerante y gel de sílice como

adsorbente, sin embargo, existen líneas de I+D enfocadas al uso de zeolitas como material de

adsorción o la utilización metanol/carbón activo como refrigerante/adsorbente (López, Ibarra, &

Platzer, 2017).

El ciclo de adsorción incluye los mismos componentes principales en el ciclo de absorción, utilizando

un adsorbente en lugar de un absorbente. En la Figura 16 se observan los componentes principales

en el diseño propuesto por Mayor (Mayor, 2003), en la cual se tiene una aproximación dimensional

entre el tamaño de la cámara de refrigeración y un colector solar de placa plana empleado como

fuente de energía.

1: Captor solar.

2: Cristal de teflón.

3: Adsorbente.

4: Persianas de refrigeración.

5: Condensador.

6: Válvula autónoma.

7: Caja de refrigeración.

8: Evaporador.

Figura 16. Componentes de un refrigerador solar por adsorción. Fuente: Adaptado de (Mayor, 2003)

Durante el ciclo de adsorción, cuando el refrigerante se evapora en el evaporador se une a la

superficie del adsorbente por fuerzas de Van Der Waals. Luego de ello se transfiere calor al

adsorbente por medio de una fuente de aporte (solar, por ejemplo) aumentando la presión y

separando el refrigerante (desorción), lo cual es usualmente llamado un proceso de regeneración, ya

que el adsorbente queda listo para una nueva adsorción del refrigerante. El refrigerante pasa al

condensador liberando energía para pasar a un estado líquido (condensación). Mientras tanto, el


66

adsorbente disminuye su temperatura con un intercambiador de calor, disminuyendo su presión

hasta igualar la presión en el evaporador. El refrigerante pasa del condensador al evaporador

recibiendo el calor de la carga de refrigeración (acción refrigerante), pasando a un estado gaseoso,

para luego pasar al proceso de adsorción, en donde es adsorbido por el material de adsorción hasta

llegar a una temperatura equivalente a la del condensador, finalizando el ciclo (López et al., 2017).

Los pares de trabajo en el ciclo de adsorción son componentes críticos, por lo cual, las

investigaciones recientes sobre el tema se han dedicado a la mejora de la eficiencia del adsorbente

seleccionando adecuadamente el par óptimo. Muchos sistemas integran el adsorbente y el colector

solar juntos, donde el adsorbente se empaqueta en el colector solar. Para un funcionamiento

continuo, es necesario combinar dos ciclos de adsorción; dichos sistemas pueden lograr un COP de

0.6 (Allouhi et al., 2015). Por otro lado, las tecnologías de adsorción alimentadas por biomasa aún se

encuentran subdesarrolladas (Aste et al., 2017).

En general, los sistemas de adsorción térmica han sido estudiados exhaustivamente. Aunque varios

prototipos de refrigeración solar de adsorción fuera de la red han sido diseñados y probados con

éxito en trabajos de investigación, alcanzando a veces una eficiencia muy alta (demostrando la

viabilidad de esta tecnología), solo se han desarrollado pocos dispositivos y se han probado con

éxito en campos en áreas rurales con radiación solar ampliamente disponible (Aste et al., 2017). En

ejemplo de ello es el diseño de Santori et. al. quienes fabricaron un refrigerador solar por adsorción

para ayuda humanitaria en países del tercer mundo, útil para refrigerar vacunas y alimentos, con

dimensiones de 1,7x1,5x0,95𝑚, con un colector solar de 1,2 𝑚2 de área (Santori, Santamaria,

Sapienza, Brandani, & Freni, 2014).

3.3.3. Refrigeración termoeléctrica

El funcionamiento de la tecnología termoeléctrica se basa en el efecto Peltier, el cual consiste en el

proceso de transferencia de calor que sucede al unir dos tipos de material diferentes utilizando una

pieza semiconductora-base. Suministrando corriente continua de baja tensión al módulo, una cara

de este se enfría mientras que la otra se calienta; la cara fría puede alcanzar temperaturas de hasta

30 °C por debajo de la temperatura del aire externo. La Figura 17 representa un esquema con los

componentes principales de un refrigerador termoeléctrico(Enescu, Ciocia, Mazza, & Russo, 2017a),

donde se puede observar la utilización de materiales semiconductores (3) ubicados dentro de la

placa de transferencia de calor, empleando conductores de cobre (4) en contacto con sustrato

cerámico a partir del cual se encuentran fabricadas las caras de la placa.


67

Figura 17. Componentes en un refrigerador termoeléctrico.

Fuente: Tomado de (Enescu et al., 2017a)

Entre las ventajas de la refrigeración termoeléctrica se encuentran la alta durabilidad de estas ya que

tiene pocas partes móviles, se elimina el riesgo de escapes al no utilizar algún tipo de refrigerante y

a su vez tiene un bajo impacto ambiental al no emplear ningún tipo de refrigerante inflamable o

tóxico. Además de ello su costo de fabricación es bajo. Como desventaja principal se encuentra el

bajo COP en comparación con otras tecnologías. (Aste et al., 2017)

3.3.4. Refrigeración Stirling

Este tipo de tecnología se conforma básicamente por un pistón, un desplazador y un gas no

refrigerante (helio y nitrógeno, por ejemplo). En la Figura 18 se representan los componentes de un

refrigerador Stirling, su funcionamiento consiste en la compresión de un gas a través de un pistón,

que en la mayoría de los casos es accionado por un motor eléctrico (Aste et al., 2017). El gas a

presión elevada se transporta entre un intercambiador de calor a alta temperatura, en el que se

disipa el calor; posteriormente pasa a un regenerador en el que se disminuye la temperatura, así el

gas se transporta hacia una cámara de expansión en la que se baja a un más su temperatura; en

esa etapa se logra el proceso de enfriamiento de la caja de almacenamiento, la cual trasmite calor al

fluido, y al igual que en los otras tecnologías expuestas se inicia nuevamente el ciclo.(Barbieri et al.,

2015)


68

Figura 18. Diagrama de un refrigerador Stirling Fuente: Adaptado de(Wang et al., 2018)

Entre las principales desventajas de esta tecnología se encuentra la alta complejidad de instalación,

el mantenimiento requerido, y su alto costo, además, de acuerdo con la información consultada, en

el mercado existen pocos dispositivos que funcionan con esta tecnología donde en la mayoría de los

casos están diseñados específicamente para áreas de la salud.(Aste et al., 2017). Su principal

ventaja es la baja temperatura que puede llegar a alcanzar, útil en aplicaciones comerciales

(Hachem, Gheith, Aloui, & Ben Nasrallah, 2018a).

3.3.5. Otras tecnologías de refrigeración

Además de las tecnologías descritas, existen algunas otras con las características de ser sistemas

complejos, costosos y de investigación científica en desarrollo. Se consultó en diversas fuentes

bibliográficas y es poca la aplicabilidad e información que se encuentra con respecto a las ZNI, por lo

tanto, no harán parte de las tecnologías a evaluar para la selección del dispositivo, pues aun no son

competitivas en comparación con las anteriores (principalmente debido al costo, complejidad

asociada y falta de desarrollo científico). Sin embargo, a continuación, se describe su

funcionamiento:

Sistema Eyector: Esta tecnología es similar a la de refrigeración por compresión, con la diferencia

de que se omite la necesidad de un compresor al agregar un circuito de fluido que contiene un

dispositivo eyector, un generador y una bomba de recuperación de energía de baja graduación. La

Figura 19 muestra el ciclo de refrigeración por eyector, en el cual el trabajo principal del eyector es el

de aumentar la presión del fluido refrigerante que circula en el evaporador (lo cual se realizaría por

un compresor en un sistema tradicional por compresión), con ayuda de un fluido primario

proveniente del generador, el cual aumenta de energía con ayuda de la bomba de energía de baja


69

graduación. En el eyector ambos fluidos se mezclan (fluido primario y el refrigerante) para luego

pasar al condensador en donde la mezcla pasa a fase líquida separando las sustancias y

empezando nuevamente el ciclo (Liu, Wang, Jia, & Wang, 2018).

Figura 19. Ciclo de refrigeración por eyector. Fuente: Tomado de (Liu et al., 2018)

Aunque la estructura del eyector es relativamente simple, el mecanismo interno del eyector es

complejo debido a un campo de flujo supersónico en su diseño. Este sistema es atractivo debido al

bajo requerimiento de temperatura en la fuente de calor, sin embargo, su principal problema se

centra en el bajo coeficiente de rendimiento COP (Bellos, Theodosiou, Vellios, & Tzivanidis,

2018).

Refrigeración magnética: Se basa en la utilización del efecto magneto calórico (MCE), el cual

genera variaciones en la temperatura de un material magneto calórico (MCM) al aplicar cambios en

el campo magnético, de tal manera que el material MCM aumenta de temperatura con la

magnetización y se enfría con la desmagnetización; ya que el MCM en estado frio absorbe calor, se

genera el efecto de refrigeración. En la Figura 20 se observa un diagrama de partes para un sistema

de refrigeración magnética en la cual se observan los bloques MCM de transferencia de calor entre

las caras de recepción y emisión de calor (posición fría y caliente, respectivamente). Este sistema ha

sido estudiado por décadas, sin embargo, aún requiere de avances significativos para lograr ser

competitivo frente a otras tecnologías de refrigeración. Las investigaciones principalmente se centran

en los tipos y formas de los MCM, el control de flujo, los fluidos de transferencia de calor y la

corrosión en los MCM (Wu, Lu, Liu, & He, 2018).


70

Figura 20. Diagrama de partes de un sistema de refrigeración magnética.

Fuente: Adaptado de (Wu et al., 2018)

Refrigeración termoacústica: Esta tecnología utiliza el principio del efecto termoacústico, para

lograr la conversión de energía entre potencia acústica y térmica. El sistema realiza una

transferencia de calor desde el extremo de la carga refrigerante al ambiente, a través del movimiento

oscilatorio de un fluido sometido a compresión y expansión cíclica bajo excitación acústica. Esta

tecnología es atractiva debido a que los únicos componentes mecánicos que utiliza son los

conductores acústicos en una estructura simple que emplea esencialmente redes de tuberías, lo cual

hace que el sistema sea confiable, de bajo costo y bajo mantenimiento, además de ser amigable con

el medio ambiente dado que emplea gases inertes como medio de trabajo. En la Figura 21 se

muestra el diagrama de una onda de sonido dentro de un sistema de refrigeración termoacústico, en

donde se observan los conductos de entrada y salida del gas inerte a través de un tubo de

resonancia, el cual suele angosto. Las fuentes de energía pueden ser el aprovechamiento de calor

residual, la energía solar o los combustibles fósiles. La desventaja principal que presenta es su

elevado costo debido a que puede requerir sistemas de alta presión con componentes y fluidos de

trabajo costosos, por ejemplo: el helio o el argón (Saechan & Jaworski, 2018).


71

Figura 21. Diagrama esquemático de una onda de sonido en un refrigerados termoacústico. Fuente: Adaptado de (Raut & Wankhede, 2017)

3.4. Proyectos de refrigeración usando fuentes de energía no

convencional

A continuación, se describen algunos de los dispositivos de refrigeración que han sido desarrollados

en diferentes lugares del mundo para satisfacer la necesidad de llevar refrigeración a zonas que no

cuentan con un suministro energético continuo. Se evidencia que el recurso solar es la principal

fuente de energía para este tipo de dispositivos en zonas aisladas.

3.4.1. SolarChill

Este dispositivo funciona por accionamiento directo solar y se diseñó con el fin de almacenar en

pequeña escala vacunas y alimentos en lugares sin servicio de energía eléctrica. El dispositivo

funciona a partir de paneles solares conectados directamente al refrigerador, el cual contiene un

compresor que permite realizar el ciclo de refrigeración, es decir, se realiza el proceso de

refrigeración por compresión de vapor; el cual se expone en la sección 3.3. El proyecto tiene entre

sus objetivos brindar nuevas oportunidades a las personas que viven en lugares aislados y así

mismo tener la capacidad de funcionar en sitios que han sufrido catástrofes naturales para el

correcto almacenamiento de suministros aun cuando servicios como la energía eléctrica se

encuentren suspendidos.

El proyecto SolarChill, lanzado en el año 2001, es el resultado colaborativo entre diversas

organizaciones internacionales entre las que se encuentran el Programa de las Naciones Unidas

para el Medio Ambiente (UNEP), el Instituto Tecnológico Danés (DTI), Greenpeace Internacional,

entre otras. Actualmente se encuentra en etapa de implementación en 3 países: Kenia, Suazilandia y

Colombia. Según su página web (www.solarchill.org), en Colombia ya fueron instalados algunos

dispositivos que almacenarían vacunas en la Sierra Nevada de Santa Marta y en el Cauca. La Figura

22 muestra un diagrama y una fotografía del dispositivo.

http://www.solarchill.org/


72

Figura 22. Diagrama (izquierda) y fotografía real (derecha) del dispositivo Solarchill: refrigerador por accionamiento solar directo.

Fuente: Adaptado de(GEF, 2016)

Este dispositivo se caracteriza porque tener un bajo impacto ambiental, ya que los refrigerantes que

utiliza (ejemplo: HCFC, HFC libre) no contribuyen al calentamiento global. Además, logra

temperaturas entre 2 a 8°C para vacunas y alimentos perecederos, por lo tanto, puede ser utilizado

en los centros de salud, hogares y pequeños negocios, manteniendo la temperatura hasta por 5 días

con bajo nivel de radiación solar. La capacidad del dispositivo es de 50 litros, estando calificado para

trabajar en ambientes con una temperatura ambiente máxima de 32 °C (Thakare, 2016). El costo

aproximado del dispositivo es de 1.500 USD5 incluyendo el panel solar.

3.4.2. SunDanzer

SunDanzer es un dispositivo diseñado para brindar soluciones a las necesidades de refrigeración en

lugares sin conexión a la red eléctrica a precios bajos. Ofrecen productos para almacenar vacunas y

alimentos, para usos militares, domésticos y comerciales, mediante el uso de paneles solares que

impulsan directamente los dispositivos, los cuales al igual que el anterior, funcionan mediante el

accionamiento de un compresor, lo que permite identificar que el tipo de ciclo empleado es el de

compresión de vapor. Para la aplicación de almacenamiento de vacunas, utiliza un material

5 http://www.sitiosolar.com/solarchill-refrigerador-solar/


73

patentado de cambio de fase PCM, que mantienen el rango de temperatura que se requiere de 2°C

a 8°C. La vida útil del producto es de una década o más sin mantenimiento programado. En el caso

de dispositivos comerciales, han desarrollado desde pequeños refrigeradores para almacenamiento

de leche hasta contenedores de 40 pies alimentados con energía solar para garantizar seguridad

alimentaria en islas y aldeas; algunos ya han sido implementados en Kenia para fortalecer el

mercado lácteo (SunDanzer, 2018).

En la página web de la empresa que desarrolla este dispositivo (sundanzer.com) es posible comprar

refrigeradores con destino de entrega en Estados Unidos. Algunas de las características técnicas de

los productos de la marca se observan en la Tabla 8, donde se describen cuatro variedades con

capacidad de almacenamiento de 15, 55, 368 y 50 litros y su respectivo precio.

Tabla 8. Características dispositivo SunDanzer.

Capacidad bruta de almacenamiento 15 litros 55 litros 368 litros 50 litros

Almacenamiento Vacunas Vacunas Domestico Domestico

Zona climática Caliente (+43° C) Caliente (+43° C) 32° C 32° C

Fuente de energía - Voltaje 12V -

solar nominal 12V -

solar nominal

Matriz fotovoltaica de

275 W 10-31 VDC

10-31 VDC

Rango de Temperatura 2° C a 8° C 2° C a 8° C N/D N/D

Radiación solar requerida 3.5 kWh/𝑚2 ∙ día 3.5 kWh/𝑚2 ∙ día N/D N/D

Autonomía a 43º C 101 horas 19 minutes 83 horas 20 min N/D N/D

Refrigerante R134a R134a R134a R134a

PQS Código E003/039 E003/039 N/D N/D

Dimensión 70.4 x 59.4 x 77 cm 96.2 x 71.1 x 86.8 cm 161 x 73 x 87 cm 67.3 x 58.4 x

77.5 cm

Peso 59 kg 99 kg 79.4 kg 34 kg

Volumen 0,32 𝑚3 0,59 𝑚3 1,02 𝑚3 0,30 𝑚3

Dimensión producto embalado (con el kit completo

PV vacunas)

114.30 x 99.06 x 111.76 cm

114.30 x 99.06 x 111.76 cm

169 x 79 x 93 cm

69.9 x 62.2 x

92.7 cm

Precio en la página web 2.495 USD 3.599 USD 1.549 USD 699 USD

Fuente: Adaptado de (SunDanzer, 2018)

3.4.3. Dulas

Dulas es una empresa ubicada en Inglaterra, con 36 años de experiencia en la creación de

dispositivos de refrigeración con tecnología por compresión para uso en lugares aislados. Las

soluciones han sido incorporadas en África, Asia, las Islas del Pacífico y América Latina. Entre los

productos que ofrece se encuentran dispositivos para el almacenamiento de vacunas y sangre, que

funcionan utilizando paneles solares que se conecta directamente a los refrigeradores; en la Tabla 9

se pueden observar algunas características de las referencias de productos principales, donde cada


74

uno de ellos tiene un funcionamiento a partir de propulsión solar directa, siendo acreditados por los

estándares exigidos por la OMS (Dulas, 2018).

Tabla 9. Características del dispositivo Dulas.

Capacidad de Almacenamiento 37,5 litros

Precio 1.999 USD6

Temperatura Interna 2°C a 8°C

Zona Climática 5°C a 43°C

Tiempo de autonomía 72 horas

Tamaño de matriz solar recomendada

> 260 Wp

Dimensiones 987 x 890 x 740 (mm)

Peso del envío 115 kg

Voltaje 24 a 45 Vdc

Potencia de arranque mínima 40 W

Radiación solar mínima para funcionamiento continuo

150 W/m2 (usando matriz 260 Wp)

Compresor Danfoss / Secop BD35K

Refrigerante R600a

Periodo de referencia solar 3.5kWh / m2 / 24h

Características adicionales Tecnología Freeze-Free® para asegurar que las vacunas nunca expuestas a temperaturas peligrosas bajo cero.

Ruedas de alta resistencia para facilitar el manejo

Completamente sin batería, con conectores plug and play para una fácil instalación

Agujero de drenaje para facilitar la limpieza.

Fuente: Adaptado de (Dulas, 2018)

3.4.4. Máquinas de Hielo ISAAC

Uno de los ejemplos de aplicación de dispositivos de absorción en zonas aisladas de la red es la

máquina de hielo ISAAC desarrollada en el año 2009. Su función principal fue la de preservación de

leche en dos áreas rurales en la costa de Kenia a través de la producción de hielo. Fue desarrollada

6 https://www.who.int/immunization_standards/vaccine_quality/dulas_e3_103.pdf


75

por Solar Ice Company (SIC) quienes diseñaron una instalación con un funcionamiento

completamente sin electricidad. La Figura 23 muestra tres unidades instaladas en la ciudad de Kilifi,

en donde se puede observar la utilización de colectores solares parabólicos fijos como fuentes de

energía. El ciclo de funcionamiento se divide en dos etapas, realizadas alternativamente entre las

horas diurnas y nocturnas; en la Figura 24 se representan los ciclos de funcionamiento respectivos,

en donde se incluye un generador, un condensador, un evaporador y un dispositivo de absorción,

utilizando el par de trabajo amoníaco/agua (Erickson, 2009). Además de Kenia, no se encuentra

registro de aplicación o comercialización de la máquina de hielo en otros países.

Figura 23. Instalación de tres unidades de máquinas de hielo ISAAC en la ciudad de Kilifi (Kenia).

Fuente: Adaptado de (Erickson, 2009)

Figura 24. Diagrama de ciclo de funcionamiento de la máquina de hielo ISAAC durante el día

(izquierda) y durante la noche (derecha).

Fuente: Adaptado de (Erickson, 2009)


76

3.4.5. Solaref

En el año 2009 la sociedad Solaref lanzó al mercado un dispositivo de refrigeración por adsorción

solar llamado SOLAREF, bajo un concepto cooperativo: los refrigeradores se ofrecerían solo cuando

la población local esté capacitada para el montaje, la instalación y la reparación del dispositivo. El

diseño permitía conservar vacunas y alimentos fríos durante tres días consecutivos sin radiación

solar, también en condiciones de temperatura extremas, como 43 °C durante el día y 34 °C en la

noche, después de cinco días soleados consecutivos. El dispositivo generalmente no requería de

mantenimiento, no tenía ninguna parte móvil mecánica y no se necesitaba de acción humana para

su operación diaria. SOLAREF fue premiado por la Federación Nacional de la Asociación de

Inventores Franceses (FNAFI) y por la EBN (European Business Network) con el premio especial de

innovación (Aste et al., 2017b). Los modelos de 70 y 200 litros tenían un costo de 2.600 US y 3.700

US respectivamente (Darvaux, 2009), sin embargo, debido al alto costo del producto (alrededor de

20 y 40 dólares por cada litro de volumen refrigerado), el refrigerador se ha dejado de fabricar

(López et al., 2017).

3.5. Elección de la tecnología de refrigeración

A continuación, se presenta un resumen del fundamento teórico que dirige el proceso de selección

de la tecnología de refrigeración a partir de la consulta bibliográfica realizada. En primer lugar, se

describe la Casa de la Calidad perteneciente al Despliegue de la Función de Calidad (QFD) según la

cual se priorizan los aspectos técnicos de mayor relevancia sobre las tecnologías, en función de los

requerimientos y necesidades de la población. Por otro lado, se describe el Análisis Jerárquico de

Decisión como herramienta definitiva para la selección final de la tecnología que resuelve mejor las

necesidades de los usuarios de acuerdo con los diferentes criterios de decisión a tener en cuenta.

3.5.1. Despliegue de la función de calidad QFD

El despliegue de la función de calidad QFD, por sus siglas en inglés, es un enfoque creado por los

japoneses con el fin de satisfacer los requisitos del cliente en el proceso de diseño y los sistemas de

producción. Este enfoque hace parte del proceso de planeación para guiar un diseño, integrando la

voz del cliente con un conjunto de requerimientos técnicos que satisfacen las necesidades de estos;

utiliza como herramienta un diagrama de matriz para presentar la información llamada Casa de la

Calidad (James & Wiliams, 2014). Actualmente el enfoque se utiliza de manera exitosa en empresas

entre las que se encuentran General Motors, Ford, Mazda, Motorola, Xerox, Kodak, IBM, Procter &

Gamble, Hewlett-Packard y AT&T.

En la Casa de la Calidad se utilizan matrices para relacionar las peticiones del cliente con los

requisitos técnicos de un producto, los requisitos de los componentes, los planes para el control de

procesos y las operaciones de manufactura. En la Figura 25 se muestra el esquema de partes


77

principales en la Casa de la Calidad en donde se incluye un listado necesidades de los usuarios en

el diseño o sistema de producción, llamados QUÉ (1), un listado de requerimientos técnicos que

pueden solucionar las necesidades (2) llamados CÓMO, una matriz de relación entre los QUÉ y los

CÓMO en donde a partir de una escala cuantitativa se miden relativamente los efectos de los CÓMO

en los QUÉ (3), un esquema de relación entre los CÓMO que represente relativamente los posibles

conflictos entre ellos (4) y un análisis de los CÓMO (5) y de los QUÉ (6) según el análisis

ponderativo de la matriz de relación entre los QUÉ y los CÓMO.

Figura 25. Partes principales en la Casa de la Calidad. Fuente: Elaboración propia adaptada de (Bernal, Dornberger, & Suvelza, 2009)

El análisis QFD es una herramienta versátil dentro de las funciones de una organización, siendo útil

en el desarrollo de productos, administración de la calidad, análisis de las necesidades del cliente,

planificación estratégica, entre otros. Teniendo presente que por lo general resulta imposible lograr

la excelencia en todos los parámetros técnicos de diseño (con conflictos usuales entre sí, como por

ejemplo entre el costo y la calidad), el análisis QFD resulta de gran ayuda para la definición de

parámetros acordes con las necesidades de los clientes o usuarios, ya que pondera y jerarquiza los

diferentes requerimientos técnicos que pueden escogerse como punto de apoyo para el logro de la

solución (Cruz, 2015). Para el presente trabajo, se utilizó la herramienta QFD para relacionar los

requisitos técnicos del producto con las necesidades de la población, generando una evaluación

cuantitativa de cada tecnología de refrigeración en particular.

La construcción de la matriz se basó en los siguientes pasos básicos:

1.

QUÉ buscan los

usuarios

3.

Matriz de relación

entre los QUÉ y los

CÓMO

6.

Análisis de los QUÉ

2. CÓMO solucionar las

necesidades

QUÉ buscan los

usuarios

4. Relación entre

los CÓMO

5. Análisis de los CÓMO


78

1. Identificación de los requerimientos del cliente (QUÉ).

2. Identificación de los requisitos técnicos (CÓMO).

3. Relacionar los requisitos del cliente con los requisitos técnicos.

4. Realizar una evaluación de los competidores.

5. Determinación de los requisitos técnicos que se deben desplegar en el diseño.

El desarrollo de estos pasos se expone en la sección 4.4 (Análisis competitivo entre las tecnologías

de refrigeración).

3.5.2. Análisis jerárquico de decisión

Cuando hay diversas alternativas, pueden existir múltiples objetivos que se confrontan entre sí, lo

cual hace compleja la toma de decisiones; el método del Análisis Jerárquico permite realizar la

comparación de múltiples criterios frente a diferentes alternativas. Fue desarrollado a finales de los

años 60 por Thomas Saaty, a partir de su experiencia en las fuerzas militares. Actualmente es la

base de paquetes de software diseñados para la toma de decisiones. Es un método matemático

utilizado cuando la experiencia, (es este caso el conocimiento adquirido por la investigación) hace

parte fundamental de la decisión. Hace uso del algebra matricial para definir las prioridades entre los

elementos que participan en el problema y se fundamenta en tres axiomas para su desarrollo, el

reciprocal que consiste en que al comparar dos alternativas dado un criterio, al ser la alternativa x

mejor que la y en una proporción de n veces, la alternativa y frente a la x dado el mismo criterio será

1/n veces mejor; el de homogeneidad que se refiere a que las alternativas que son comparadas

entre si deben tener criterios de comparación similares entre ellas, y finalmente el de síntesis que se

basa en que no hay dependencia entre criterios con otras. .El proceso consiste en lo siguiente

(GÓMEZ & CABRERA, 2008):

1. Teniendo 𝑖 criterios de decisión, dado 𝑖 = 1, 2, … , 𝑚, donde 𝑚 es el número máximo de

criterios, se determinan los respectivos pesos relativos de importancia 𝑤𝑖 entre dichos criterios

(los cuales en este caso se obtendrían según el análisis QFD).

2. Para cada criterio de decisión 𝑖, se comparan 𝑛 cantidad de alternativas 𝑗 (en este caso las

tecnologías de refrigeración), entre sí, según los pesos relativos en dicho criterio de decisión

(cuyos valores se obtienen en este caso, de los resultados del análisis QFD), generando un

peso relativo 𝑤𝑖𝑗.

3. Para cada alternativa 𝑗 se establece el peso 𝑊𝑗 tal que 𝑊𝑗 = ∑ (𝑤𝑖𝑗𝑖=𝑚𝑖=1 ∙ 𝑤𝑖)

4. Se comparan los resultados 𝑊𝑗 entre las alternativas 𝑗, donde la mejor decisión será aquella con

el mayor peso relativo 𝑊𝑗.

5. Se realiza la prueba de consistencia de cada una de las matrices para verificar que, al realizar el

procedimiento, en este no haya habido contradicciones implícitas. Para este paso se utiliza la

ecuación de razón de consistencia (RC).


79

𝑅𝐶 =𝐼𝐶

𝐼𝐴 [1]

Donde, el índice de consistencia (IC), se halla multiplicando la matriz inicial por el vector de

peso, obteniendo como resultado un vector A, del cual cada uno de sus componentes se divide

entre los componentes del vector peso; luego se hace un promedio de los componentes del

vector resultante, obteniendo un vector unitario B, que se utiliza para resolver la ecuación IC,

donde n es el número de componentes de la matriz nxn.

𝐼𝐶 =𝐵 − 𝑛

𝑛 − 1 [2]

El índice de aleatoriedad IA, se halla utilizando la ecuación

𝐼𝐴 =1,98(𝑛 − 2)

𝑛 [3]

Finalmente se tiene que si RC ≤ 0.1 la matriz es consistente; si las matrices no son consistentes,

deben volverse a plantear.

La aplicación del método se lleva a cabo en la sección 4.5.

80

Capítulo 4. Desarrollo metodológico

4.1. Introducción

En el presente capítulo se desarrolla la selección definitiva de la tecnología que mejor se adapta a

las necesidades de la población en las ZNI, según lo cual se establecen un conjunto de parámetros

sobre un diseño base para un dispositivo de refrigeración con FNCER. En primer lugar, se describen

14 variables técnicas asociadas a los respectivos indicadores de evaluación, empleadas

posteriormente en el desarrollo de un análisis en un cuadro comparativo sobre cada una de las

tecnologías principales: compresión, absorción, adsorción, termoeléctrica y Stirling. Luego de ello se

desarrolla un análisis competitivo aplicando la metodología de la Casa De la Calidad según lo cual

se obtiene una valoración cuantitativa de cada una de las tecnologías. Posteriormente se aplica el

Análisis Jerárquico de Decisión, con lo cual se define la tecnología que mejor se adapta a las

necesidades de la población en ZNI. Se presenta la definición y cálculo de parámetros sobre un

prototipo, con un análisis de sensibilidad sobre las variables más importantes para luego validar el

modelo general a través del software de simulación de procesos químicos Aspen Hysys. Además de

ello se presenta una aproximación de las dimensiones del dispositivo a través de SolidWorks.

Finalmente se presentan algunas posibles variaciones en el prediseño según las condiciones

geográficas particulares de cada región en ZNI, y una estimación del costo del dispositivo.

4.2. Variables e indicadores técnicos de evaluación

Para realizar el análisis comparativo de las tecnologías de refrigeración es necesario definir variables

medibles que permitan realizar una adecuada caracterización en cada caso. A partir de la

investigación realizada, los autores del presente trabajo definieron 14 variables para la medición de

características puntuales consideradas importantes dentro de la evaluación, teniendo en cuenta la

satisfacción de las necesidades ya descritas en las ZNI. En la sección 4.4 se utilizan estas variables

para la elaboración de la casa de la calidad, permitiendo identificar los parámetros más relevantes

de acuerdo con las necesidades de los usuarios, generando una valoración sobre cada tecnología

de tal forma que pueda definirse una selección acertada. Las 14 variables establecidas son las

siguientes:

Capítulo 4: Desarrollo metodológico

81

1. Rango de temperatura del dispositivo: Se considera una variable importante debido a que al

representar los límites de temperatura posibles también limita las posibilidades de conservación

(tiempo) en los diferentes tipos de productos perecederos. El indicador se mediría a partir de una

métrica de temperatura (°C). Resultaría ideal que la tecnología de refrigeración pueda llegar a

temperaturas de congelamiento cercanas a los -18 °C, ya que de esta manera se lograría

almacenar alimentos cárnicos y pescados por tiempos prolongados de hasta 8 meses (FDA,

2018). Esto resulta especialmente importante teniendo presente que el pescado es un alimento

con una alta producción y consumo en regiones como el pacífico, con una densidad poblacional

alta entre las ZNI.

2. Autonomía frente a factores de suministro externos: Esta variable mediría la autonomía de una

tecnología para mantenerse en funcionamiento en una eventual disminución del suministro de

energía. Se considera una variable importante debido a que se busca que la tecnología de

refrigeración sea capaz de mantener una temperatura fija con cierto grado de seguridad aun

cuando se tengan factores externos no favorables que puedan afectar el suministro de energía

obtenido de las FNCER. El indicador de esta variable se mediría en función del tiempo (días) en

el cual un dispositivo es capaz de conservar su temperatura interna dada una situación externa

desfavorable, como por ejemplo la escasez de radiación solar en ciertas condiciones climáticas,

para un refrigerador con fuente de energía solar.

3. Almacén de energía: Esta sería una variable binaria (si o no) que definiría si la tecnología

permite o no la utilización de almacenes de energía. Resulta importante en tanto se tenga

presente que el suministro de energía para la tecnología de refrigeración utilizará alguna

modalidad de FNCER, por lo tanto, está sujeta a intermitencia en el aprovechamiento de las

fuentes, ya sea que se trate de energía solar, eólica, biomasa, etc. Esta variable guarda relación

con la variable anterior (autonomía frente a factores de suministro externos) en tanto los

almacenes de energía aumentan la autonomía de un dispositivo, sin embargo, se considera que

debe evaluarse por separado ya que el uso de almacenes puede implicar impactos ambientales

como en el caso de las baterías o las reservas de combustible fósil en un sistema híbrido que

utilice la energía solar como fuente principal y un combustible como respaldo (Aste et al.,

2017a).

4. Confiabilidad: El nivel de confiabilidad de la tecnología de refrigeración sería una variable que

evaluaría la capacidad de la tecnología de perdurar sin fallas en una línea de tiempo. Esto se

encuentra relacionado con el grado de mantenimiento de la tecnología, donde sería ideal que

existan pocos requerimientos de mantenimiento (bajos costos de mantenimiento, largos periodos

entre mantenimientos preventivos, etc.) con mayores ciclos de vida de los dispositivos. Se

considera importante debido a que las condiciones geográficas de las ZNI dificultarían el acceso

de los usuarios a centros técnicos de reparación, por lo cual sería ideal minimizar esta

necesidad. Por otro lado, es particularmente importante tener en cuenta el nivel de aptitudes de

conocimiento requerido para el mantenimiento de la solución energética, ya que en caso de ser

alta podrían tenerse fuertes barreras de implementación ya que se requeriría de personal

capacitado en caso de fallas, lo cual probablemente no podría obtenerse fácilmente teniendo en

cuenta el conocimiento local en una determinada zona. El indicador se evaluaría de manera


82

relativa (comparativa) entre las tecnologías de refrigeración, con una métrica de número de

partes requeridas, ya que a mayor número de componentes, mayor es el grado de

mantenimiento y menor el grado de confiabilidad (Milanes, Rodriguez, & Scenna, 2012).

5. Versatilidad: Con esta variable se hace referencia a la capacidad de la tecnología de abarcar

amplios rangos de temperatura y tamaños de acuerdo con las necesidades de los usuarios. Se

evaluaría utilizando dos métricas: temperatura (°C) y volumen (𝑚3), los cuales establecerían

rangos permitidos de funcionamiento. Se considera importante debido a que se relaciona

directamente con la utilidad de una tecnología para los usuarios. Una alta versatilidad en una

tecnología de refrigeración podría hacer referencia a que es posible utilizar la tecnología para

diseñar dispositivos con temperaturas que pueden llegar al congelamiento, con la posibilidad de

tener capacidades de almacenamiento volumétrico en categorías que podrían equivaler a los de

un refrigerador portátil (4 litros, por ejemplo) o a los de un refrigerador de gran tamaño (600

litros, por ejemplo). Una versatilidad baja podría indicar bajos rangos de alcance en ambas

métricas de evaluación. A mayor versatilidad en la tecnología mejor sería su desarrollo ya que

podría emplearse en diferentes contextos alrededor de varias necesidades.

6. Espacio requerido: Esta variable mediría el volumen que ocupa un dispositivo incluyendo todos

los componentes necesarios para su funcionamiento. La métrica de evaluación del indicador

sería el volumen (𝑚3). Esta variable es importante en primer lugar, al tener presente aspectos

relacionados con la logística de transporte, ya que a mayor espacio requerido los costos de

transportar un determinado dispositivo serán mayores, especialmente si por ejemplo para llegar

al lugar de destino se debe transitar por vías terciarias ya que esto agregaría mayor complejidad.

En segundo lugar, un dispositivo con un amplio espacio requerido puede representar mayores

dificultades de carácter ergonómico para los usuarios finales en lugares con poco espacio

disponible.

7. Volumen de refrigeración: Esta variable evaluaría únicamente el espacio destinado para el

almacenamiento de productos dentro del dispositivo. La métrica de evaluación del indicador

sería el volumen (𝑚3). Esta es una variable que debería maximizarse, ya que para usuarios en

ZNI, localizados en espacios geográficamente alejados de otras fuentes de recursos (ya sea que

se trate de frutas, vegetales, carnes, fármacos, etc.), es preferible que puedan almacenar la

mayor cantidad de suministros de tal forma que se prolonguen los tiempos de consumo luego

del abastecimiento.

8. Adaptabilidad a fuentes no convencionales de energía: Un alto grado de adaptabilidad de las

tecnologías de refrigeración a fuentes no convencionales de energía es indispensable para

lograr su participación en ZNI. Esta variable mediría un indicador con métrica binaria (si o no)

que establecería un filtro sobre si es o no posible la integración se la tecnología con algún tipo

de FNCER. En la medida en que el desarrollo de la tecnología permita adaptarla a diferentes

fuentes de energía (solar, eólica, biomasa, etc.) mayor será la posibilidad de emplearla en

diferentes contextos, siendo ideal que el diseño del dispositivo utilice una fuente renovable de


83

energía abundante en la zona de destino. También es importante la trayectoria de desarrollo

tecnológico en el logro de dichas adaptabilidades, ya que esto puede significar mayor eficiencia

en el uso de la energía, así como también menores costos.

9. Vida útil: La vida útil promedio entre los dispositivos de una tecnología es una variable

importante en relación con los costos de inversión, donde a menor vida útil se esperaría tener

que recurrir a mayores gastos de inversión en un determinado rango de tiempo. La métrica de

evaluación sería el tiempo (años). Se buscaría que la vida útil se extienda la mayor cantidad de

tiempo posible, a favor de una disminución en la inversión monetaria. También es importante

tener en cuenta que un dispositivo con menor vida útil puede requerir de un mantenimiento con

mayor periodicidad (con el objetivo de alargar dicha vida útil), en comparación con un dispositivo

con larga vida útil, lo cual también se traduce en mayores costos.

10. Costo: Resulta importante tener en cuenta esta variable debido a que afecta directamente la

inversión en adquisición de las tecnologías o los dispositivos de refrigeración. La métrica de

evaluación serían unidades monetarias, con un indicador comparativo entre los diferentes

dispositivos. A mayor costo de compra mayor será la necesidad en recursos de inversión

monetaria y por tanto resultará más difícil que los usuarios puedan obtener los dispositivos en

las ZNI, independientemente de que se subsidien por parte del gobierno o se adquieran con

recursos personales. Aun cuando una tecnología resulte eficiente en su funcionamiento, si

resulta demasiado costosa en su adquisición y/o funcionamiento no sería fácilmente

aprovechable.

11. Eficiencia energética: Esta variable se mediría de acuerdo con el Coeficiente de Rendimiento

(COP), el cual establece la relación entre la cantidad de calor extraído para el enfriamiento útil

(efecto de refrigeración, 𝑄) y el trabajo requerido para ello (𝑊) tal como se muestra en la

ecuación [4]. El trabajo (𝑊) para la evaluación del COP se mediría desde el compresor en un

refrigerador por compresión, por ejemplo (Srithar et al., 2018).

𝐶𝑂𝑃 =

𝐸𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑅𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛

𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜=

𝑄

𝑊 [4]

Este es un indicador útil en la evaluación de las tecnologías de refrigeración debido a que

relaciona la cantidad de energía requerida para el funcionamiento del dispositivo con la energía

realmente aprovechada para lograr la refrigeración. Si el COP resulta ser muy bajo, se requerirá

de mayor suministro de energía frente a otra tecnología con un mayor COP, en las mismas

condiciones, lo cual aumentaría factores como el costo en suministro energético.

Es importante resaltar los datos encontrados en las encuestas de los PERS Nariño, La Guajira,

Chocó y Tolima analizados desde el punto de vista de la eficiencia energética en los Anexos del

PIEC 2016 – 2020 (UPME, 2016), donde se encuentra que los refrigeradores utilizados en las

ZNI consumen casi dos veces la energía de un refrigerador eficiente debido a las condiciones en

dichas poblaciones: refrigeradores usualmente obsoletos, falta de mantenimiento, tamaños

innecesariamente grandes, etc.

12. Nivel de emisiones de 𝐶𝑂2: Las plantas diésel, comúnmente utilizadas en las ZNI, generan

emisiones de 𝐶𝑂2cercanas a los 0,7326 𝑡 𝑑𝑒 𝐶𝑂2/𝑀𝑤ℎ (UPME, 2016). Es importante que las


84

tecnologías de refrigeración tengan nulas o bajas emisiones de 𝐶𝑂2, lo cual se evaluaría en una

métrica medida en toneladas de 𝐶𝑂2 en relación con la energía empleada. Un dispositivo que

genere altas emisiones de 𝐶𝑂2 afectaría uno de los objetivos en la implementación de FNCER a

nivel general, el cual es la disminución de los impactos ambientales.

13. Precisión de temperatura: Esta variable evaluaría el grado de control del dispositivo de

refrigeración sobre la temperatura requerida, en condiciones normales de funcionamiento, lo

cual puede resultar crucial al momento de refrigerar productos farmacéuticos o vacunas, ya que

estos son muy sensibles a la temperatura de almacenamiento. La variable podría medirse en

función de la temperatura obtenida en relación con la temperatura requerida, tal que en

condiciones perfectas dicha relación debería equivaler a 1. Por tanto, la métrica de evaluación

sería adimensional.

14. Desarrollo tecnológico (trayectoria): En la medida en que se tengan mayores desarrollos

científicos alrededor de una tecnología aumentarán los beneficios que de ella se obtienen, pues

significaría que se tienen mejoras significativas, por ejemplo, en cuanto a sus funciones,

aplicaciones o disminución en sus costos. Sin embargo, es importante tener en consideración

que emplear dispositivos de última tecnología no necesariamente puede ser beneficioso, ya que

esto puede requerir de conocimiento experimentado para su utilización o instalación, lo cual no

suele estar disponible en zonas aisladas a la red (Aste et al., 2017a). Por tanto, el desarrollo

tecnológico debería evaluarse como un indicador según el nivel de trayectoria de la tecnología

en aplicaciones sobre contextos rurales, con una métrica binaria definida según existan o no,

casos de éxito a nivel mundial.

4.3. Comparativa entre las tecnologías de refrigeración

La Tabla 10 muestra las características particulares de cada tecnología de refrigeración sujeta a

comparación, alrededor de diferentes aspectos técnicos relacionados con las variables de

evaluación:


85

Tabla 10. Cuadro comparativo entre las tecnologías de refrigeración con fuentes no convencionales de energía.

CARACTERÍSTICA REFRIGERACIÓN POR

COMPRESIÓN

REFRIGERACIÓN POR

ABSORCIÓN

REFRIGERACIÓN POR

ADSORCIÓN

REFRIGERACIÓN

TERMOELÉCTRICA

REFRIGERACIÓN

STIRLING

Aplicaciones

Es una de las tecnologías

más utilizadas en la

refrigeración, teniendo

gran número de

aplicaciones en diferentes

contextos


La aplicación dependerá

principalmente de los

fluidos de trabajo que se

utilicen. Las temperaturas

de trabajo de estas

aplicaciones fluctúan entre

los -20 y 20°C


Las unidades de energía

pequeñas (1-10 kW) se

usan normalmente para

aplicaciones relativas a la

salud (almacenamiento de

vacunas y medicinas)

(SET4food, 2014)

Funcionan en equipos

científicos de laboratorio,

tecnologías para

transporte de alimentos y

fármacos por aire, tierra o

mar. Almacenamiento

estacionario de sangre e

insumos medicinales, en

barcos, submarinos,

camiones y aviones

militares.

(Rubio Ramírez, Lizarazo,

& Vera Duarte, 2017)

Adecuada en casos de

requerimientos de bajas

temperaturas o

temperaturas ambientales

elevadas. Ejemplo:

conservación de carne o

pescado en climas

cálidos.

(Hachem et al., 2018a)

Capacidad de

Almacenamiento

Posible en amplio rango

de volúmenes.

(SET4food, 2014)

Posible en amplio rango

de volúmenes.

(SET4food, 2014)

Posible en rango de

volúmenes altos y medios.

Los bajos volúmenes aún

se encuentran

subdesarrollados.

(Aste et al., 2017a)

Capacidad entre 1 y 50

Litros, para vacunas y

alimentos que no

necesiten temperaturas

muy bajas de

refrigeración.

(SET4food, 2014)

Existen ejemplares solo

con baja capacidad. (Aste

et al., 2017a)

Capacidad de

enfriamiento

Amplio, llegando a la

congelación. Se

encuentran proyectos

para temperaturas en el

rango de 2°C a 8°C para

vacunas y sangre, y de

menos de 4°C para

lácteos en uso comercial. (SunDanzer, 2018)

Capacidad de

enfriamiento según par de

trabajo. Puede llegar a -77

°C al emplear amoniaco


Poca potencia de

enfriamiento. Máximo 30

°C por debajo de la

temperatura ambiente

(SET4food, 2014)

La temperatura más baja

que alcanza es de 5°C a

una temperatura ambiente

de 25°C. No llega a la

congelación. Máximo 30

°C por debajo de la

temperatura ambiente

(Barbieri et al., 2015).

Logra temperaturas muy

bajas


Complejidad técnica Complejidad moderada. Fáciles de fabricar por Menos complejas que las Baja (Aste et al., 2017a). Complejidad técnica alta


86

(Aste et al., 2017a) contener pocas o ninguna

parte móvil

(N’Tsoukpoe et al., 2014)

de absorción, por tanto,

simples de fabricar

(SET4food, 2014)

Se pueden desarrollar

prototipos funcionales en

hogares. (SET4food,

2014)


Componentes Principales

Caja hermética, fluido

refrigerante, compresor,

evaporador, sistema de

control

(SET4food, 2014)

Refrigerante (sorbente) y

absorbente (Pares de

trabajo) condensador,

evaporador (Sarbu &

Sebarchievici, 2015b)

Sorbente sólido,

adsorbente, condensador,

nevera evaporadora

(Sarbu & Sebarchievici,

2015b).

Dos placas de materiales

semiconductores: tipo P y

tipo N, conductor eléctrico

de cobre, aislante

eléctrico (ejemplo:

cerámica)

(Ramírez & Guillermo

Martheyn Lizarazo, 2017)

Motor eléctrico, pistón,

desplazador, gas de

funcionamiento, caja de

almacenamiento


Confiabilidad

Muy alta debido al

sellamiento con

posibilidad limitada de

fuga o contaminación


Solución válida siempre

que se cuente con

radiación solar disponible

por completo. En caso de

tener suministro biomasa,

la confiabilidad será alta

garantizando rendimiento

en casi todas las

condiciones; sin embargo,

requerirá cuidado en la

planificación de la cadena

de suministro de la

biomasa

(Aste et al., 2017a).

En caso de tener

suministro biomasa, la

confiabilidad será alta

garantizando rendimiento

en casi todas las

condiciones; sin embargo,

requerirá cuidado en la

planificación de la cadena

de suministro de la

biomasa


Alta gracias a que no

requieren fluidos

refrigerantes, ni piezas

móviles


Funciona siempre y

cuando cuente con un

dispositivo externo que

pueda accionar el pistón

(Hachem, Gheith, Aloui, &

Ben Nasrallah, 2018b).

Costo

En el mercado se puede

adquirir productos y

módulos a bajo costo,


sin embargo el costo de

Los precios de adquisición

pueden ser de medios a

altos (Aste et al., 2017a)

su costo de instalación y

operación puede ser

Los precios de adquisición

pueden ser de medios a

altos (Aste et al., 2017a)

su costo de instalación y

operación puede ser

Los costos de

funcionamiento,

instalación y operación

son bajos. (Aste et al.,

2017a)

El costo de compra y de

instalación es alto, sin

embargo, el costo de

operación es medio. (Aste

et al., 2017a)


87

instalación puede ser alto

(SET4food, 2014)

menor que el que tienen

los dispositivos de

compresión (SET4food,

2014)

menor que el que tienen

los dispositivos de

compresión (SET4food,

2014)

Desarrollo en contextos

fuera de la red

De uso común para zonas

conectadas y además

para lugares no

conectados a la red con

resultados favorables.


Se han desarrollado

varias aplicaciones en

contextos fuera de la red


Pocas aplicaciones debido

a la falta de pares de

trabajo con buen

rendimiento


2015b).

Muy desarrollados y

aplicados en el campo


No se encuentran

desarrollos o aplicaciones

comprobadas para zonas

no conectadas a la red.

Eficiencia energética

El COP varía típicamente

entre 1,5 y 3,5,

dependiendo del tamaño,

las condiciones de carga y

las temperaturas de

funcionamiento

(SET4food, 2014)

Baja. COP entre 0,6 y 0,8.

Los sistemas de absorción

de doble y triple efecto

(con condensadores de

alta y baja temperatura y

generadores) tienen

mayores coeficientes de

rendimiento (1,0-1,6)

(SET4food, 2014)

El COP varía de 0,2 a 1,5

dependiendo del número

de efectos. Los de efecto

simple tienen un COP de

0,5 a 0,7

(López et al., 2017)

Baja. Tiene un coeficiente

de rendimiento

equivalente a 1/5 del de

un sistema de compresión

de vapor (SET4food,

2014)

Alta en el caso del

refrigerador Stirling de

pistón libre

(SET4food, 2014)

Estado de desarrollo

tecnológico

Las investigaciones

actuales buscan reducir el

grado de GWP (Global

Warming Potencial) de los

gases refrigerantes


Las investigaciones

buscan aumentar el COP.


2015b)

Las investigaciones

buscan desarrollo de

mejores pares de trabajo y

mejoramiento del COP.


2015b)

Las investigaciones

buscan el mejoramiento

del COP, así como el

aumento del tamaño de la

caja de refrigeración.

(Enescu, Ciocia, Mazza, &

Russo, 2017b)

Las investigaciones de las

industrias de enfriamiento

que utilizan estos

refrigeradores están

dirigidas hacia el logro de

la reducción de tamaño de

los dispositivos; factor que

hasta la actualidad ha sido

inversamente proporcional

a la capacidad de

enfriamiento del

dispositivo.

(Hachem et al., 2018b)


88

Fuentes de alimentación

de energía

Existen proyectos que

alimentan los dispositivos

a partir de celdas

fotovoltaicas que accionan

directamente el compresor (SunDanzer, 2018).

Calor residual, energía

solar térmica y

biocombustibles

(Allouhi et al., 2015). Se

adopta muy

frecuentemente para la

refrigeración solar.

Requieren ser

alimentados con fuentes

de calor de 80 a 110 °C

en simple efecto y 120-

150 °C en doble efecto


Pueden ser alimentados

con fuentes de calor de 50

a 100 °C. En caso de ser

biomasa funciona con

cualquier fuente

localmente disponible

(ejemplo: carbón, estiércol

de vaca, combustibles

fósiles, etc.)


2015b).

Se puede alimentar la

placa de la celda Peltier

directamente a partir de

celdas fotovoltaicas. (Aste

et al., 2017b)

Pueden conectarse a

fuentes de energía de

12/24 V o unidades más

grandes a 110/230 V

(SET4food, 2014).

El motor eléctrico podría

ser alimentado por fuentes

alternativas de energía

(Hachem et al., 2018b).

Grado de control

(precisión de temperatura)

Moderado

(Belman, Barroso,

Rodriguez, & Camacho,

2015)

Moderada (según diseño).

(SET4food, 2014)

Moderada (según diseño).

(SET4food, 2014)

Alta Precisión.

(Enescu et al., 2017b)

No se encuentra

información al respecto.

Impacto ambiental

Los refrigerantes suelen

tener alto GWP (Global

Warming Potencial)

(López et al., 2017)

Desarrollos actuales

buscan mitigar el impacto

en la capa de ozono.

(Belman et al., 2015)

Los colectores térmicos

pueden emplear

refrigerantes ecológicos

(2017, Fraunhofer)

El circuito usa gases con

bajo o nulo potencial de

GEI

(Allouhi et al., 2015)

El uso de keroseno o

fluidos inflamables puede

resultar en graves

consecuencias si no se

usan correctamente

(SET4food, 2014). Los

colectores térmicos

pueden emplear

refrigerantes ecológicos


Nuevas tecnologías para

máquinas de hacer hielo

usan agua como agente

enfriador en lugar de CFC

Principal impacto

ambiental asociado al uso

de baterías.

No emite gases de efecto

invernadero debido a que

no utiliza fluidos de

trabajo.


No se encuentra



89

(o un gas tóxico)

(SET4food, 2014)

Necesidades de

mantenimiento

Requerido bajo

mantenimiento tanto en el

producto como en la red

de suministro solar. La

necesidad de un

compresor representa las

principales necesidades

de mantenimiento


Disminución de

requerimientos por

contener pocas o ninguna

parte móvil.


Muy poco en relación con

las demás tecnologías,

debido a que requiere

pocas o nulas partes

móviles

(SET4food, 2014)

No requieren

mantenimiento frecuente

debido a que no emplea

fluidos y requiere pocas

partes móviles. Pueden

tener una larga vida útil.

Requiere mantenimiento

de las baterías en caso de

emplearlas (Aste et al.,

2017a)

Su complejidad técnica

hace que el

mantenimiento exija

personal altamente

capacitado para realizar

mantenimiento e

instalación.


Otras ventajas

En países desarrollados

se han implementado

proyectos con esta

tecnología para zonas no

conectadas a la red.

(SET4food, 2014)

Fáciles de controlar, no

producen vibraciones o

ruido (Allouhi et al., 2015)

Control más simple,

ausencia de vibración.

Transforma el calor solar

directamente en frío, sin

ningún paso intermedio

como la conversión del sol

en electricidad.

(SET4food, 2014)

Compacta y duradera.

Adecuado para

aplicaciones en

condiciones de

vibraciones o choques.


Su principal ventaja es la

baja temperatura que

puede alcanzar. (Hachem et al., 2018a)

Requerimientos

Particulares

Espacio de disipación de

calor al exterior. Si hay

altos niveles de humedad

relativa, se tiene que

considerar un sistema de

drenaje y eliminación.

(Belman et al., 2015)

La caja térmica tendrá un

grado variable de

aislamiento dependiendo

de las condiciones

ambientales. La cubierta

debe ser impermeable

(SET4food, 2014)

Deben ubicarse en un

espacio donde el calor

producido por el

condensador pueda ser

disipado al entorno

externo; por esta razón,

las máquinas se colocan

siempre al exterior.

(SET4food, 2014)

Debe estar en espacios

cubiertos debido a que el

aislamiento e

impermeabilidad del

sistema es fundamental

para su funcionamiento

(SET4food, 2014). Es

importante transportar el

calor de una manera

eficiente, por lo cual los

intercambiadores de calor

y ventiladores deben

mantenerse limpios, con

Requiere de un motor

eléctrico para funcionar.



90

adecuados flujos de aire.

(Aste et al., 2017).

Susceptibilidad al clima

Funciona en climas

externos en rangos de 5

°C hasta 43 °C

(SET4food, 2014)

Periodos de alta

nubosidad pueden ser

problemáticos en caso de

que dependa de la

energía solar

(SET4food, 2014)

Periodos de alta


problemáticos en caso de

dependencia de la energía

solar


Periodos de alta


problemáticos (Aste et al.,

2017a)

Funciona a temperaturas

ambiente superiores a

25°C. (SET4food, 2014)

Periodos de alta


problemáticos


Uso portable

Posible. Típicamente, los

sistemas portátiles tienen

un volumen refrigerado a

partir de 30-40 litros

(SET4food, 2014)

No son adecuados debido

al alto volumen de la

tecnología.


2015b)

No son adecuados ya que

son muy voluminosos, lo

cual dificulta su

transporte.


2015b)

Adecuado debido al

pequeño tamaño de los

dispositivos, además de

que los elementos

termoeléctricos no sufren

por vibraciones o golpes.


No se encuentra


Utilización de almacenes

térmicos

Hielo o material de cambio

de fase (SET4food, 2014)

Posibilidad de emplear

hielo (SET4food, 2014)

Posibilidad de emplear

hielo

(SET4food, 2014).

Disponible, con una

capacidad limitada


Disponibles con una

capacidad limitada (Aste

et al., 2017a)

Utilización de Baterías

Necesaria al acoplarse a

módulos fotovoltaicos, a

menos de que se incluya

almacén térmico

(materiales PCM). Vida

útil limitada.


No se acopla fácilmente

debido que utiliza paneles

térmicos principalmente.


No se acopla fácilmente

debido que utiliza paneles

térmicos principalmente.


Inclusión posible con una

duración de 2 a 5 años. El

costo representaría el

30% del costo del

dispositivo.


En soluciones

fotovoltaicas tienen una

duración de 2 a 5 años


Vida Útil

Entre 15 y 30 años (en

condiciones de

funcionamiento óptimas)

(SET4food, 2014)

Promedio de 15 años

(Barbieri et al., 2015)

Promedio de 25 años

(Barbieri et al., 2015)

No se encuentra

información sobre esta

variable.

2 a 5 años dura la batería

para aplicaciones con

celdas fotovoltaicas


Fuente: Elaboración propia con base en referencias bibliográficas indicadas dentro de la tabla.

91

4.4. Análisis competitivo entre las tecnologías de refrigeración

El despliegue de la función de calidad QFD es utilizado para realizar el análisis competitivo entre las

tecnologías de refrigeración. A continuación, se resume el proceso realizado para el proceso de

aplicación de la Casa de la Calidad:

Paso 1: Identificar los requerimientos del cliente. Para este paso se definieron las necesidades

de los clientes (usuarios de las ZNI) determinadas a partir de la consulta bibliográfica realizada. Los

requisitos del cliente se observan en la Tabla 11.

Tabla 11. Requerimientos de los usuarios de las ZNI para el dispositivo de refrigeración.

1- Refrigeración de frutas y verduras

2- Refrigeración de carnes

3- Refrigeración de vacunas

4- Bajo consumo energético

5- Alto ciclo de vida

6- Bajo impacto ambiental

7- Bajo costo

8- Bajo requerimiento de mantenimiento

9- Suministro energético no convencional


Paso 2: Elaborar la lista de requisitos técnicos que proporcionan las bases para el diseño del

producto. Los requisitos técnicos traducen las necesidades de los clientes a un lenguaje claro para

el diseñador o el ingeniero encargado de su producción; explican cómo se va a responder ante los

requisitos del cliente, por lo tanto, deben ser medibles para poder ser comparables con el objetivo.

En este paso también se identifica cual es la intensidad de la relación de cada requisito técnico con

los demás, para identificar cuáles son los requisitos técnicos que se ven afectados por el cambio de

otro de ellos. En la Figura 26, en donde se muestra la Casa de la Calidad se observa el desarrollo de

este paso (techo de la casa). La Tabla 12 contiene los requisitos técnicos explicados previamente en

la sección 4.2, con su respectiva unidad de medida.


92

Tabla 12. Requisitos técnicos para el dispositivo de refrigeración.

Requisito técnico Métrica Unidad de medida

Rango de temperatura del dispositivo Temperatura °C

Dependencia sobre factores de suministro

externos

Tiempo Días

Almacén de energía Binaría Binaria (SI, NO)

Confiabilidad Cantidad Número de Partes

móviles

Versatilidad: temperatura y tamaños Temperatura - Volumen °C y 𝑚𝟑

Espacio requerido Volumen 𝑚3

Volumen de refrigeración Volumen 𝑚3

Adaptabilidad a fuentes no convencionales de

energía

Binaria Binario (SI, NO)

Vida útil Tiempo Años

Costo de compra Unidades monetarias COP

Eficiencia energética Adimensional COP

Nivel de emisión de CO2 Masa/Energía 𝐶𝑂2/𝑀𝑤ℎ

Precisión de temperatura Adimensional 𝑇𝑒𝑚𝑝. 𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑎

𝑇𝑒𝑚𝑝. 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎

Desarrollo tecnológico (trayectoria) Binaria Binario (SI, NO)


Paso 3: Desarrollar una matriz de relación entre los requisitos del cliente y los requisitos

técnicos. Se realiza esta matriz de relaciones con el fin de visualizar si los requisitos técnicos

pueden satisfacer los requisitos del cliente. En la Figura 26 se observa el desarrollo de este paso

según una evaluación de relaciones débiles, moderadas y fuertes.

Paso 4: Evaluar los productos competidores. Para el caso de la matriz se realizó la comparación

de las diferentes tecnologías de refrigeración con posibilidad de ser aplicadas en las ZNI, esto con el

fin de identificar sus fortalezas y debilidades. Por lo general este paso se aplica para realizar mejoras

en la planeación del diseño del producto, en este caso se utilizó como método comparativo. En la

Figura 26 se observa el desarrollo de este paso, en donde se desarrolla una puntuación de 1 a 5

para cada tecnología (donde 5 es el mejor puntaje), según cada uno de los requerimientos de los

usuarios, considerando las variables técnicas involucradas.

93

Paso 5: Seleccionar los requisitos técnicos para desplegarlos en el proceso de diseño. A

través de la calificación de la importancia de cada requisito del cliente y su relación con cada uno de

los requisitos técnicos, se identificaron los factores técnicos que representan mayor importancia para

satisfacer los requisitos del cliente; estos son los atributos más importantes a tener en cuenta para el

desarrollo del producto. En la Figura 26 se observa el desarrollo de este paso, que deja como

resultado que los principales requisitos técnicos son en su orden de importancia: adaptabilidad a

fuentes no convencionales de energía, volumen de refrigeración, confiabilidad, versatilidad:

temperatura y tamaños, y rango de temperatura del dispositivo.

La Figura 26 representa el desarrollo del análisis competitivo entre las alternativas de refrigeración a

través de la metodología de la Casa de la Calidad; en ella se pueden visualizar como ya se

mencionó, que hay requisitos técnicos fundamentales para el desarrollo del producto, pero también

hay otros que podrían ser considerados como requisitos que no tienen el mismo nivel de influencia

en el diseño debido al bajo puntaje obtenido, y que por lo tanto pasan a un segundo plano de

importancia; estos requisitos son el espacio requerido, el nivel de emisión de CO2 y el costo, que a

pesar de que se podría pensar que por las bajas condiciones socioeconómicas de las ZNI, este

debería ser un requisito restrictivo, sin embargo de acuerdo con el análisis, es mucho más

importante cumplir otros requerimientos de mayor relevancia, lo cual se entiendo teniendo en cuenta

que usualmente en los lugares objetivo del proyecto se utilizan soluciones de bajo costo, pero con

repercusiones negativas a largo plazo como por ejemplo la ineficiencia, la contaminación, la baja

confiabilidad y el bajo ciclo de vida de los productos.

Se puede analizar que existen pocas correlaciones negativas entre cada uno de los requerimientos

funcionales del producto; el primer caso es el del almacén de energía con la confiabilidad, ya que al

estar esta última directamente asociada con la cantidad de partes móviles y el requerimiento de

mantenimiento del dispositivo un componente adicional podría afectar este requisito. En segundo

lugar, se encuentra la correlación negativa entre el almacén de energía y el espacio requerido; al

incorporar un componente adicional es posible que se requiera mayor espacio para ubicar el

dispositivo en la zona de uso y por lo tanto influir negativamente en el aumento de los requisitos que

posibilitan la facilidad para la ubicación final y/o el transporte del dispositivo. Finalmente, se

correlacionan negativamente el hecho de que un mayor volumen de refrigeración implica un mayor

espacio requerido para ubicar el dispositivo.

Para el caso de las correlaciones positivas, en primer lugar, está el rango de temperaturas del

dispositivo con la versatilidad de temperaturas y tamaños, ya que entre más amplios son los rangos

de temperatura que puede alcanzar el dispositivo mayor será su versatilidad para diferentes usos

según requerimiento de temperatura. La siguiente correlación positiva es la autonomía frente a

factores de suministro externos con el almacén de energía, ya que, si a la tecnología se incorporan

baterías de almacenamiento, esta brindara soporte al dispositivo cuando el suministro energético

disminuya y por lo tanto será mayor su capacidad de continuar con el proceso de enfriamiento aun

cuando las condiciones del entorno se modifiquen en determinados periodos de tiempo. La

correlación positiva entre la adaptabilidad a fuentes no convencionales de energía y el costo se


94

justifica en que en el largo plazo la implementación de tecnologías alternativas contribuye a la

disminución de los costos de los procesos. Por último, la adaptabilidad a fuentes no convencionales

de energía y el nivel de emisión de 𝐶𝑂2 se asocian en el sentido de que en la medida en que se

promueva el uso de FNCE se lograrán disminuir las emisiones de 𝐶𝑂2, teniendo en ambas variables

una contribución importante en la disminución del impacto ambiental del dispositivo.

95

Figura 26. Aplicación de la Casa De La Calidad para el análisis de las tecnologías de refrigeración. Fuente: Elaboración propia

Caracteristicas de

calidad:

Requerimientos

funcionales

Requerimientos

del cliente 1 2 3 4 5

11,9 5,0 5 5 4 3 31

11,9 5,0 5 5 4 3 50,9

11,9 5,0 4 4 3 5 30,8

7,1 3,0 4 3 2 1 10,7

9,5 4,0 4 3 5 1 10,6

7,1 3,0 3 3 3 4 10,5

9,5 4,0 5 4 5 4 10,4

9,5 4,0 3 4 5 5 10,3

11,9 5,0 3 5 5 3 1 0,1

Convenciones

Aplicación QFD dispositivos de

refrigeración para ZNI

Θ Relación Fuerte 9

▲ Relación débil 1

Ο Relación Moderada 3

┼┼ Fuerte correlación positiva

┼

▼

Correlación positiva

▬ Correlación negativa

Fuerte correlación negativa

El objetivo es maximizar

▼ El objetivo es minimizar

x

▲

El objetivo es cumplir

┼ ┼

┼

▬

Número de columna 1 2 3 4 11 12 13 149 10

┼ ▬ ▬

Minimizar (▼), Maximizar (▲),

Objetivo (x)▲ x ▲ ▲

5 6 7 8

▲ ▲ x x Análisis competitivo (0=Peor, 5=Mejor)▲ ▲ ▲ x x ▼

Vers

atilid

ad:

tem

pera

tura

y t

am

años.

Espacio

requerido

Volu

men d

e r

efr

igera

ció

n

Adapta

bili

dad a

fuente

s n

o

convencio

nale

s d

e e

nerg

ía

Peso

rela

tivo

Peso

/ I

mp

ort

an

cia

Rango d

e t

em

pera

tura

del dis

positiv

o

Auto

nom

ía f

rente

a f

acto

res d

e

sum

inis

tro e

xte

rnos

Chart

Axis

Valu

es

Refrigeración de frutas y verduras Θ Ο ▲ Θ Θ Θ

Refr

igera

dor

por

com

pre

sió

n

Refr

igera

dor

por

absorc

ión

Refr

igera

dor

por

adsorc

ión

Refr

igera

dor

Term

oelé

ctr

ico

Refr

igera

dor

por

Stirlin

g

Cic

lo d

e v

ida

Costo

Eficie

ncia

energ

ética

Niv

el de e

mis

ión d

e C

O2

Pre

cis

ión d

e t

em

pera

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Desarr

ollo

tecnoló

gic

o (

trayecto

ria)

Alm

acén d

e e

nerg

ía

Confiabili

dad

Refrigeración de carnes Θ Θ Ο Θ Θ Θ Θ

▲

Ο

Refrigeración de vacunas Θ Θ Ο Θ Θ Θ Θ

Bajo consumo energético Ο Ο Θ Ο

Θ

Θ

Θ ▲ Ο

Bajo impacto ambiental Ο Θ

▲

Ο Θ

Alto ciclo de vida

Bajo costo Ο Ο Θ ▲

Bajo requerimiento de mantenimiento ▲ Θ

Ο Θ Ο Ο

▲ Ο

Suministro energético no convencional Θ Ο Ο

Peso Relativo 10,2 7,5 3,7 12,7 10,4 0,9 14,1 15,6 3,7 2,6 4,5 2,1 4,6 3,7

Refrigerador por

compresión

Refrigerador por absorción

Refrigerador por adsorción

Refrigerador Termoeléctrico

Refrigerador por Stirling


96

4.5. Selección de la tecnología de refrigeración

El proceso de análisis jerárquico de decisión se emplea a continuación para la selección de la

tecnología más adecuada de refrigeración con FNCE para las ZNI, según el análisis competitivo

realizado en la Casa de la Calidad. A continuación, se expone el proceso realizado, teniendo en

cuenta una escala de preferencias utilizadas para realizar las comparaciones entre las tecnologías

(ver Tabla 13):

Tabla 13. Escala de preferencias entre dos aspectos – Análisis Jerárquico de decisión.

Diferencia de la importancia según QFD

Planteamiento verbal de la preferencia Calificación numérica

Diferencia de 0 Opciones comparadas igualmente preferibles

1

Diferencia de 1 La opción mayor es moderadamente preferible

3

Deferencia de 2 La opción mayor es fuertemente preferible

5

Diferencia de 3 La opción mayor es muy fuertemente preferible

7

Diferencia de 4 La opción mayor es extremadamente preferible

9

Fuente: Elaboración propia.

Para ejemplificar el uso de la Tabla 13, si se tuviesen que relacionar las necesidades de los usuarios

de bajo costo y bajo consumo energético, los cuales según el QFD tienen un peso o importancia de

4 y 3 respectivamente, con una diferencia equivalente a 1, la tabla indica que el bajo costo es

moderadamente preferible al bajo consumo energético, con una calificación numérica de 3. El

sentido de la relación es importante en el análisis de la calificación numérica, por tanto, si la relación

fuera el bajo consumo energético frente al bajo costo, la calificación numérica sería de 1/3

(equivalente a 0,33). En la Tabla 14 se establece la matriz de comparación entre los criterios de

decisión, en este caso los diferentes requerimientos de los usuarios.


97

Tabla 14. Matriz de comparación entre los criterios de decisión (requerimientos de los usuarios), teniendo en cuenta el peso o importancia según QFD.


En la Tabla 15 se realiza la normalización de la matriz de la Tabla 14 utilizando el valor suma en esta

tabla (normalización de forma vertical). Por ejemplo, para normalizar la comparación entre el bajo

consumo energético y la refrigeración de frutas y verduras, los cuales tienen una relación numérica

de 0,20, en una columna cuya suma equivale a 5,4, la valoración numérica normalizada es igual a

0,20/5,4, lo cual equivale a 0,04. La suma por filas en la Tabla 15 genera el vector de peso relativo

entre las necesidades de los usuarios, el cual es necesario en el cálculo final del Análisis Jerárquico

de Decisión.

5 5 5 3 4 3 4 4 5

Criterios de desición

Ref

riger

ació

n d

e fr

uta

s y v

erdura

s

Ref

riger

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e ca

rnes

Ref

riger

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unas

Baj

o c

onsu

mo e

ner

gét

ico

Alto c

iclo

de

vid

a

Baj

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pac

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nta

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o c

ost

o

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equer

imie

nto

de

man

tenim

iento

Sum

inis

tro e

ner

gét

ico n

o c

onven

cional

5 Refrigeración de frutas y verduras 1 1 1 5 3 5 3 3 1

5 Refrigeración de carnes 1 1 1 5 3 5 3 3 1

5 Refrigeración de vacunas 1 1 1 5 3 5 3 3 1

3 Bajo consumo energético 0,20 0,20 0,20 1,00 0,33 1,00 0,33 0,33 0,20

4 Alto ciclo de vida 0,33 0,33 0,33 3 1 3 1 1 0,33

3 Bajo impacto ambiental 0,20 0,20 0,20 1,00 0,33 1,00 0,33 0,33 0,20

4 Bajo costo 0,33 0,33 0,33 3 1 3 1 1 0,33

4 Bajo requerimiento de mantenimiento 0,33 0,33 0,33 3 1 3 1 1 0,33

5 Suministro energético no convencional 1 1 1 5 3 5 3 3 1

Suma 5,4 5,4 5,4 31 15,7 31 15,7 15,7 5,4


98

Tabla 15. Normalización de la matriz de comparación entre los criterios de decisión.


De la misma manera en que se compararon los criterios de decisión (necesidades de los usuarios)

se compararon cada una de las tecnologías alternativas, utilizando un criterio a la vez. Por ejemplo,

utilizando el criterio de refrigeración de frutas y verduras se tiene un análisis competitivo según el

QFD entre la refrigeración por compresión, absorción, adsorción, termoeléctrica y Stirling, de 5, 5, 4,

3 y 3, respectivamente, por tanto, estos serían los valores a partir de los cuales de procedería con la

comparación. En cada caso se realiza tanto la comparación entre los valores obtenidos de las

tecnologías en un determinado criterio, como la normalización de los resultados en la matriz y la

determinación del peso relativo. Para disminuir la carga visual de las matrices se enunciarán las

tecnologías según se muestra en la Tabla 16.

Matriz Normalizada-Criterios de desición

Ref

rig

erac

ión

de

fru

tas

y v

erd

ura

s

Ref

rig

erac

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de

carn

es

Ref

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erac

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de

vac

un

as e

in

sum

os

ho

spital

ario

s

Baj

o c

on

sum

o e

ner

gét

ico

Alto

cic

lo d

e v

ida

Baj

o im

pac

to a

mb

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tal

Baj

o c

ost

o

Baj

o r

equ

erim

ien

to d

e m

ante

nim

ien

to

Su

min

istr

o e

ner

gét

ico

no c

on

ven

cio

nal

Pes

os

rela

tiv

os

Refrigeración de frutas y verduras 0,19 0,19 0,19 0,16 0,19 0,16 0,19 0,19 0,19 0,18

Refrigeración de carnes 0,19 0,19 0,19 0,16 0,19 0,16 0,19 0,19 0,19 0,18

Refrigeración de vacunas 0,19 0,19 0,19 0,16 0,19 0,16 0,19 0,19 0,19 0,18

Bajo consumo energético 0,04 0,04 0,04 0,03 0,02 0,03 0,02 0,02 0,04 0,03

Alto ciclo de vida 0,06 0,06 0,06 0,1 0,06 0,1 0,06 0,06 0,06 0,07

Bajo impacto ambiental 0,04 0,04 0,04 0,03 0,02 0,03 0,02 0,02 0,04 0,03

Bajo costo 0,06 0,06 0,06 0,1 0,06 0,1 0,06 0,06 0,06 0,07

Bajo requerimiento de mantenimiento 0,06 0,06 0,06 0,1 0,06 0,1 0,06 0,06 0,06 0,07

Suministro energético no convencional 0,19 0,19 0,19 0,16 0,19 0,16 0,19 0,19 0,19 0,18


99

Tabla 16. Representación simbólica de las tecnologías en matrices de comparación.

Tecnología Representación Simbólica

Refrigerador por compresión A1

Refrigerador por absorción A2

Refrigerador por adsorción A3

Refrigerador termoeléctrico A4

Refrigerador por Stirling A5


Los cálculos de comparación y normalización teniendo en cuenta cada criterio, se muestran en:

Tabla 17, Tabla 18, Tabla 19, Tabla 20, Tabla 21, Tabla 22, Tabla 23, Tabla 24 y Tabla 25.

Tabla 17. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de refrigeración de frutas y

verduras.


Tabla 18. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de refrigeración de carnes.


5 5 4 3 3

A1 A2 A3 A4 A5 A1 A2 A3 A4 A5

5 A1 1 1 3 5 5 0,37 0,37 0,39 0,33 0,33 0,36

5 A2 1 1 3 5 5 0,37 0,37 0,39 0,33 0,33 0,36

4 A3 0,33 0,33 1 3 3 0,12 0,12 0,13 0,2 0,2 0,15

3 A4 0,20 0,20 0,33 1 1 0,07 0,07 0,04 0,07 0,07 0,06

3 A5 0,2 0,2 0,33 1 1 0,07 0,07 0,04 0,07 0,07 0,06

Suma 2,73 2,73 7,67 15 15

Matriz Normalizada Peso

Relativo

Refrigeración de

frutas y verduras

5 5 4 3 5

A1 A2 A3 A4 A5 A1 A2 A3 A4 A5

5 A1 1 1 3 5 1 0,28 0,28 0,29 0,26 0,28 0,28

5 A2 1 1 3 5 1 0,28 0,28 0,29 0,26 0,28 0,28

4 A3 0,33 0,33 1 3 0,33 0,09 0,09 0,1 0,16 0,09 0,11

3 A4 0,20 0,20 0,33 1 0,20 0,06 0,06 0,03 0,05 0,06 0,05

5 A5 1 1 3 5 1 0,28 0,28 0,29 0,26 0,28 0,28

Suma 3,53 3,53 10,3 19 3,53

Peso

Relativo

Matriz NormalizadaRefrigeración de

carnes


100

Tabla 19. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de refrigeración de vacunas.


Tabla 20. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de bajo consumo energético.

Fuente: elaboración propia

Tabla 21. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de alto ciclo de vida.


4 4 3 5 3

A1 A2 A3 A4 A5 A1 A2 A3 A4 A5

4 A1 1 1 3 0,33 3 0,18 0,18 0,23 0,16 0,23 0,20

4 A2 1 1 3 0,33 3 0,18 0,18 0,23 0,16 0,23 0,20

3 A3 0,33 0,33 1 0,2 1 0,06 0,06 0,08 0,1 0,08 0,07

5 A4 3 3 5 1 5 0,53 0,53 0,38 0,48 0,38 0,46

3 A5 0,33 0,33 1 0,2 1 0,06 0,06 0,08 0,1 0,08 0,07

Suma 5,67 5,67 13 2,07 13

Refrigeración de

vacunas e insumos

Matriz Normalizada Peso

Relativo

4 3 2 1 1

A1 A2 A3 A4 A5 A1 A2 A3 A4 A5

4 A1 1 3 5 7 7 0,55 0,63 0,52 0,41 0,41 0,50

3 A2 0,33 1 3 5 5 0,18 0,21 0,31 0,29 0,29 0,26

2 A3 0,2 0,33 1 3 3 0,11 0,07 0,1 0,18 0,18 0,13

1 A4 0,14 0,20 0,33 1 1 0,08 0,04 0,03 0,06 0,06 0,05

1 A5 0,14 0,2 0,33 1 1 0,08 0,04 0,03 0,06 0,06 0,05

Suma 1,82 4,73 9,67 17 17

Peso

Relativo

Matriz NormalizadaBajo consumo

energético

4 3 5 1 1

A1 A2 A3 A4 A5 A1 A2 A3 A4 A5

4 A1 1 3 0,33 7 7 0,22 0,32 0,19 0,3 0,3 0,27

3 A2 0,33 1 0,2 5 5 0,07 0,11 0,11 0,22 0,22 0,15

5 A3 3 5 1 9 9 0,65 0,53 0,57 0,39 0,39 0,51

1 A4 0,14 0,20 0,11 1 1 0,03 0,02 0,06 0,04 0,04 0,04

1 A5 0,14 0,2 0,11 1 1 0,03 0,02 0,06 0,04 0,04 0,04

Suma 4,62 9,4 1,76 23 23

Peso

Relativo

Matriz NormalizadaAlto ciclo de vida


101

Tabla 22. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de bajo impacto ambiental.


Tabla 23. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de bajo costo.


Tabla 24. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de bajo requerimiento de

mantenimiento.


Tabla 25. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de suministro energético no

convencional.


3 3 3 4 1

A1 A2 A3 A4 A5 A1 A2 A3 A4 A5

3 A1 1 1 1 0,33 5 0,16 0,16 0,16 0,16 0,22 0,17

3 A2 1 1 1 0,33 5 0,16 0,16 0,16 0,16 0,22 0,17

3 A3 1 1 1 0,33 5 0,16 0,16 0,16 0,16 0,22 0,17

4 A4 3 3 3 1 7 0,48 0,48 0,48 0,47 0,3 0,44

1 A5 0,2 0,2 0,2 0,14 1 0,03 0,03 0,03 0,07 0,04 0,04

Suma 6,2 6,2 6,2 2,14 23

Peso

Relativo

Matriz NormalizadaBajo impacto

ambiental

5 4 5 4 1

A1 A2 A3 A4 A5 A1 A2 A3 A4 A5

5 A1 1 3 1 3 9 0,36 0,37 0,36 0,37 0,27 0,35

4 A2 0,33 1 0,33 1 7 0,12 0,12 0,12 0,12 0,21 0,14

5 A3 1 3 1 3 9 0,36 0,37 0,36 0,37 0,27 0,35

4 A4 0,33 1 0,33 1 7 0,12 0,12 0,12 0,12 0,21 0,14

1 A5 0,11 0,14 0,11 0,14 1 0,04 0,02 0,04 0,02 0,03 0,03

Suma 2,78 8,14 2,78 8,14 33

Peso

Relativo

Matriz NormalizadaBajo costo

3 4 5 5 1

A1 A2 A3 A4 A5 A1 A2 A3 A4 A5

3 A1 1 0,33 0,2 0,2 5 0,07 0,04 0,08 0,08 0,16 0,09

4 A2 3 1,00 0,33 0,33 7 0,21 0,13 0,13 0,13 0,23 0,16

5 A3 5 3 1 1 9 0,35 0,4 0,38 0,38 0,29 0,36

5 A4 5 3 1 1 9 0,35 0,4 0,38 0,38 0,29 0,36

1 A5 0,2 0,14 0,11 0,11 1 0,01 0,02 0,04 0,04 0,03 0,03

Suma 14,2 7,48 2,64 2,64 31

Peso

Relativo

Matriz NormalizadaBajo requerimiento

de mantenimiento

3 5 5 3 1

A1 A2 A3 A4 A5 A1 A2 A3 A4 A5

3 A1 1 0,2 0,2 1 5 0,08 0,08 0,08 0,08 0,17 0,10

5 A2 5 1 1 5 9 0,41 0,4 0,4 0,41 0,31 0,39

5 A3 5 1 1 5 9 0,41 0,4 0,4 0,41 0,31 0,39

3 A4 1 0,20 0,20 1 5 0,08 0,08 0,08 0,08 0,17 0,10

1 A5 0,2 0,11 0,11 0,2 1 0,02 0,04 0,04 0,02 0,03 0,03

Suma 12,2 2,51 2,51 12,2 29

Peso

Relativo

Matriz NormalizadaSuministro energético

no convencional


102

Finalmente, teniendo en cuenta los pesos relativos obtenidos a través de la comparación de criterios

entre las diferentes tecnologías en: Tabla 17, Tabla 18, Tabla 19, Tabla 20, Tabla 21, Tabla 22,

Tabla 23, Tabla 24 y Tabla 25, y el vector de peso relativo entre los criterios de decisión obtenido en

la Tabla 15, se obtuvieron los resultados finales para cada tecnología con la sumatoria de las

multiplicaciones entre los pesos relativos de cada criterio (según el vector de la Tabla 15), y cada

uno de los pesos relativos en cada criterio para cada tecnología (ver Tabla 26). La validación de

consistencia de cada una de las matrices se encuentra en el Anexo 14. Relación de consistencia de

las matrices del análisis jerárquico de decisión).


103

Tabla 26. Resultados finales sobre la comparación competitiva entre las tecnologías de refrigeración según el Análisis Jerárquico de Decisión.

Fuente: elaboración propia.

Según la Tabla 26 se concluye que la opción que más se ajusta a los requerimientos de los usuarios

de las ZNI es la alternativa 2, correspondiente a los dispositivos de refrigeración por absorción. Es

evidente que dispositivos como el de compresión de vapor y adsorción obtuvieron puntajes cercanos

al máximo equiparando varios de los requisitos que ofrece el dispositivo de absorción, sin embargo,

de acuerdo con los resultados y la literatura disponible, la tecnología de absorción ofrece las mejores

ventajas para zonas no conectadas a la red.

En la Tabla 26 se puede observar que las tres primeras alternativas (compresión de vapor, absorción

y adsorción respectivamente) tienen un porcentaje de selección cercano entre sí. De acuerdo con el

desarrollo de la casa de la calidad se identificó que entre los parámetros técnicos más importantes

para un dispositivo de refrigeración en las ZNI se encuentra en primer lugar la adaptabilidad a

fuentes de energía no convencionales, seguido del volumen de refrigeración, la confiabilidad, la

versatilidad y el rango de temperaturas posibles. La alternativa 3 (A3) se excluye como solución

principal dado que como se mencionó en la Tabla 10, tiene la desventaja de que tiene una menor

potencia de enfriamiento, aspecto que se encuentra entre los factores clave, sin contar que además

tiene mayor consumo energético. Las alternativas A1 y A2 cumplen de manera similar con los

requisitos técnicos del dispositivo, incluso la alternativa de compresión de vapor (A1) que tiene un

menor resultado de acuerdo al análisis jerárquico, tiene como ventaja un bajo consumo energético y

un alto ciclo de vida; sin embargo cumple de manera menos satisfactoria el mantenimiento que

requiere, dada su mayor cantidad de componentes requeridos (que a su vez se asocia con la

diminución de la confiabilidad y la vida útil), y la facilidad para para adaptarse a fuentes de energía

Ref

rig

era

ció

n d

e fr

uta

s y

ver

du

ras

Ref

rig

era

ció

n d

e ca

rnes

Ref

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ció

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e v

acu

na

s

Ba

jo c

on

sum

o e

ner

gét

ico

Alt

o c

iclo

de

vid

a

Ba

jo i

mp

act

o a

mb

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tal

Ba

jo c

ost

o

Ba

jo r

equ

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to d

e m

an

ten

imie

nto

Su

min

istr

o e

ner

gét

ico

no

co

nv

enci

on

al

Resultados

A1 0,36 0,28 0,2 0,5 0,27 0,17 0,35 0,09 0,1 24%

A2 0,36 0,28 0,2 0,26 0,15 0,17 0,14 0,16 0,39 27%

A3 0,15 0,11 0,07 0,13 0,51 0,17 0,35 0,36 0,39 23%

A4 0,06 0,05 0,46 0,05 0,04 0,44 0,14 0,36 0,1 18%

A5 0,06 0,28 0,07 0,05 0,04 0,04 0,03 0,03 0,03 9%

Peso relativo criterios 0,18 0,18 0,18 0,03 0,07 0,03 0,07 0,07 0,18


104

no convencionales; factores que son más relevantes según el análisis y que cumple de mejor

manera la alternativa de refrigeración por absorción.

En conclusión, debido a que previamente en la casa de la calidad, se identificaron aquellos

parámetros clave para definir la tecnología de refrigeración más adecuada para las ZNI, se logró

determinar que la segunda alternativa (refrigeración por absorción) cumple de mejor manera con los

requisitos de los habitantes de las ZNI y por este motivo se profundiza a continuación sobre una

propuesta base en el desarrollo de prototipos utilizando esta tecnología en las ZNI.

4.6. Caracterización básica de funcionamiento del dispositivo de

refrigeración

Para el desarrollo del prediseño del dispositivo de refrigeración por absorción debe definirse en

primer lugar el tipo de ciclo con el que trabajará. Los ciclos de absorción se dividen en continuos e

intermitentes, según lo cual al ser continuo tendría un funcionamiento simultáneo en los procesos de

generación y absorción, en un tiempo menor a las 24 horas diarias, mientras que, en un ciclo

intermitente, ambos procesos tienen lugar en tiempos diferentes, empleando 24 horas al día. En un

ciclo continuo se requeriría de una bomba de fluido con cierta necesidad de energía eléctrica (Sarbu

& Sebarchievici, 2015a) mientras que en un ciclo intermitente no es necesario (ahorro de energía),

por lo cual, para el presente diseño se tendrá presente un ciclo de absorción intermitente, el cual

únicamente requiere de la energía térmica proveniente del colector solar.

El ciclo tendrá un proceso de generación que se realizará aprovechando la luz solar del día (un

periodo de alrededor de 8 horas, entre las 09:00 am y las 5:00 pm) mientras que el proceso de

absorción se realizará en el tiempo restante (16 horas).

La Figura 27 muestra el ciclo de refrigeración por absorción siguiendo un funcionamiento

intermitente a partir del cual funcionaría el dispositivo de refrigeración, teniendo en cuenta cada uno

de los componentes descritos:


105

Figura 27. Esquema del ciclo de refrigeración por absorción intermitente para el diseño del dispositivo.

Fuente: elaboración propia

Siguiendo el esquema de la Figura 27 se definen las siguientes etapas del ciclo de absorción

intermitente:

Etapa 1 – Generación de refrigerante: Teniendo una solución química concentrada en el tanque de

almacenamiento, que incluye un fluido absorbente y un refrigerante, se realiza una transferencia de

calor de entrada desde el colector solar, lo cual aumenta la temperatura y la presión interna en el

tanque disminuyendo la capacidad de absorción del fluido absorbente, liberando fluido refrigerante

en forma de gas hacia el condensador y a su vez disminuyendo la concentración de refrigerante en

la solución del tanque. Para esta etapa se requiere que la válvula número 1 se encuentre abierta y

que la válvula de expansión y la válvula de paso número 2 se encuentren cerradas; también se

requiere del funcionamiento del colector solar por lo cual es ideal que el proceso se genere en un

horario diurno, estimado entre las 09:00 horas y las 17:00 horas (8 horas).

Etapa 2 – Refrigeración y absorción: Se cierra la válvula número 1 y se abren la válvula número 2

y la válvula de expansión, lo cual permite que el refrigerante pase del condensador, donde libera

calor al ambiente, hasta la válvula de expansión, la cual se encarga de regular su paso

disminuyendo su presión y temperatura según la necesidad de enfriamiento en la cámara frigorífica.

Luego de ello entra en el evaporador recibiendo el calor de la cámara frigorífica, aumentando su


106

temperatura y cumpliendo con el objetivo de refrigeración en la cámara. Posteriormente retorna al

tanque de almacenamiento en donde sería absorbido por el agua en la solución con débil

concentración, iniciando un proceso exotérmico que liberaría calor a través de las paredes del

tanque y comprimiría el refrigerante, generando de nuevo una solución concentrada. Este proceso

se realizaría en un tiempo alterno a la etapa número 1, por lo cual se desarrollaría entre las 17:00 y

las 09:00 horas (16 horas).

Se utilizará un fluido secundario que cubra la cámara frigorífica y que pueda congelarse hasta cierta

temperatura (para que actué como inercia térmica) tal que se encargue de mantener constante la

temperatura interna de la cámara durante el periodo de tiempo en el cual el ciclo deja de refrigerar

(Etapa 1), recibiendo el calor que pasa a través de las paredes. Una opción factible es emplear agua

como fluido secundario. Los componentes principales que requiere dicho ciclo se representan en la

Figura 28.

1. Puerta. 2. Pared externa. 3. Tanque. 4. Válvulas de paso. 5. Estructura que sostiene

el tanque. 6. Condensador.

7. Evaporador. 8. Válvula de expansión

Figura 28. Esquema de componentes del sistema intermitente de refrigeración por absorción.

Fuente: Elaboración propia empleando SolidWorks.

En el capítulo 4.8.7 se incluye un plano con las dimensiones aproximadas del dispositivo según los

cálculos realizados y la validación de los mismo (capítulos 4.8, 4.9 y 4.10).


107

4.7. Proceso de diseño para la definición de parámetros

Según el ciclo descrito en la sección 4.6, se definen a continuación los parámetros de diseño

siguiendo principalmente las ecuaciones de cálculo para un ciclo de absorción intermitente definidas

por Boas (Boas Richard, 2004). Se define en primer lugar la carga total de enfriamiento

(𝑄𝑇) equivalente al calor que el sistema debe retirar de la cámara frigorífica para cumplir con el

objetivo de refrigeración. Según Boas (Boas Richard, 2004), la carga total de enfriamiento se define

según la ecuación [5], con la sumatoria de la carga del producto a enfriar (𝑄𝑖) , la ganancia de calor

por paredes (𝑄𝑃) y la carga de calor de un fluido secundario (𝑄𝑓𝑠) .

𝑄𝑇 = 𝑄𝑖 + 𝑄�� + 𝑄𝑓𝑠

[5]

La carga del producto a enfriar 𝑄𝑖 puede medirse según el calor que debe retirarse en una

determinada carga de producto. Para establecer una medición determinada se puede definir el calor

que debería retirarse sobre una carga de agua líquida para refrigerarla a un estado sólido, en cuyo

caso la carga del producto a enfriar se mediría según la ecuación [6] la cual considera el calor

sensible al llevar la carga (de masa 𝑚) de una temperatura inicial 𝑇𝑜 a una temperatura de fusión

𝑇𝑓𝑢𝑠𝑖ó𝑛 (con un calor específico 𝐶𝑝1), el calor latente para el cambio de fase (con un calor latente de

fusión 𝐶𝑓) y el calor sensible al llevar la carga de una temperatura 𝑇𝑓𝑢𝑠𝑖ó𝑛 a una temperatura de

almacenamiento 𝑇𝑎𝑙𝑚 (con un calor específico 𝐶𝑝2):

𝑄𝑖 = 𝑚 ∗ 𝐶𝑝1 ∗ (𝑇𝑜 − 𝑇𝑓𝑢𝑠𝑖ó𝑛) + 𝑚 ∗ 𝐶𝑓 + 𝑚 ∗ 𝐶𝑝2 ∗ (𝑇𝑓𝑢𝑠𝑖ó𝑛 − 𝑇𝑎𝑙𝑚) [6]

La ganancia de calor por paredes (𝑄𝑝 ) puede establecerse según Boas (Boas Richard, 2004) a

partir de la ecuación [7], teniendo en cuenta el espesor de la pared de enfriamiento (𝑒), la

conductividad del material aislante (𝑘), el área de transferencia de calor correspondiente al área de

cada una de las paredes (𝐴𝑠) y el coeficiente de convección exterior de la cámara frigorífica (ℎ𝑒).

𝑄�� =

𝑇0 − 𝑇𝑎𝑙𝑚𝑒

𝑘∙𝐴𝑠+

1

ℎ𝑒∙𝐴𝑠

[7]

Estableciendo agua como fluido secundario para mantener constante la temperatura en la cámara

frigorífica en el tiempo en el que el dispositivo deja de retirar calor (etapa 1), la masa de fluido

secundario (𝑚s) puede calcularse según la ecuación [8] teniendo en cuenta el calor total que se

recibiría de las paredes de la cámara de enfriamiento durante dicho periodo de tiempo (8 horas) y el

calor específico (𝐶𝑝) a una temperatura media (𝑇𝑚) entre la temperatura ambiente y la temperatura

de refrigeración[(𝑇0 − 𝑇𝑎𝑙𝑚)/2], siendo esta una estimación más cercana teniendo en cuenta que

el fluido secundario debería mantenerse en un rango de temperatura ∆𝑇 sin tener realmente que

llegar hasta la temperatura ambiente (Boas Richard, 2004):


108

𝑚𝑠 =

𝑄𝑝

𝐶𝑝 ∗ ∆𝑇 [8]

De la ecuación de calor sensible, se define según la ecuación [9] el calor que recibe el fluido

secundario 𝑄𝑓𝑠 para mantener constante la temperatura interna en la cámara de enfriamiento.

𝑄𝑓𝑠 = 𝑚s ∗ 𝐶𝑝 ∗ (𝑇𝑚 − 𝑇𝑎𝑙𝑚)

[9]

Una vez calculados 𝑄𝑖 ,𝑄�� y 𝑄𝑓𝑠

, es posible calcular 𝑄�� .

Otro aspecto importante es determinar el calor del generador (��𝐺) a partir del cual se suministra

energía al par de trabajo (energía recolectada en el colector solar), separando el fluido refrigerante

del fluido absorbente, dadas las características del par de trabajo de perder capacidad de absorción

con el aumento de temperatura. Al iniciar el proceso de generación el par de trabajo se encuentra en

su mayor estado de concentración, mientras que al finalizar la solución se encuentra en un estado

débil de concentración de refrigerante. El calor del generador se establece según Boas (Boas

Richard, 2004), a partir de la ecuación [10], la cual se halla teniendo en cuenta el balance de materia

y energía en el generador, donde la suma del calor del generador y el calor de la solución

concentrada, equivaldrían a la suma del calor de la solución al salir en concentración débil más el

calor del refrigerante:

��𝐺 = ��𝐷𝑅 ∙ ℎ𝐷𝑅 + ��𝐷𝐴 ∙ ℎ𝐷𝐴 + ��𝑅 ∙ ℎ𝑅 − ��𝐶𝑅 ∙ ℎ𝐶𝑅 − ��𝐶𝐴 ∙ ℎ𝐶𝐴 [10]

Donde:

��𝐷𝑅: Flujo másico del refrigerante en solución de concentración débil.

ℎ𝐷𝑅 : Entalpia del refrigerante en solución de concentración débil

��𝐷𝐴: Flujo másico del agua en solución de concentración débil.

ℎ𝐷𝐴: Entalpia del agua en solución de concentración débil

��𝑅 : Flujo másico del refrigerante.

ℎ𝑅 : Entalpia del refrigerante.

��𝐶𝑅: Flujo másico del refrigerante en solución concentrada.

ℎ𝐶𝑅 : Entalpia del refrigerante en solución concentrada

��𝐶𝐴: Flujo másico del agua en solución concentrada.

ℎ𝐶𝐴: Entalpia del agua en solución concentrada


109

Los flujos másicos descritos del agua y del refrigerante en cada caso (solución concentrada y débil)

se definen según su relación con los porcentajes de concentración 𝑋𝐷𝑤 (porcentaje de masa de

refrigerante en la solución con concentración débil) y 𝑋𝐶𝑤 (porcentaje de masa de refrigerante en la

solución concentrada), según se muestra en las ecuaciones [11], [12], [13] y [14], donde ��𝐷 y ��𝐶

equivalen a flujo másico de la solución con concentración débil y concentrada, respectivamente

��𝐷𝑅 = 𝑋𝐷𝑤 ∙ ��𝐷 [11]

��𝐷𝐴 = (1 − 𝑋𝐷𝑤) ∙ ��𝐷 [12]

��𝐶𝑅 = 𝑋𝐶𝑤 ∙ ��𝐶 [13]

��𝐶𝐴 = (1 − 𝑋𝐶𝑤) ∙ ��𝐶 [14]

Según Boas (Boas Richard, 2004) ��𝐷 y ��𝐶 se pueden calcular según las ecuaciones [15] y [16],

definidas a partir del balance de materia de los fluidos refrigerante y absorbente:

��𝐷 =

(1 − 𝑋𝐶𝑤) ∙ ��𝑅

𝑋𝐶𝑤 − 𝑋𝐷𝑤 [15]

��𝐶 =

(1 − 𝑋𝐷𝑤) ∙ ��𝑅

𝑋𝐶𝑤 − 𝑋𝐷𝑤 [16]

Para determinar el flujo másico del fluido refrigerante en el sistema (��𝑅) se deben tener presentes

la carga total del equipo (definida 𝑄��) y las entalpias de vapor y líquido saturados del refrigerante

(ℎ𝑒𝑣𝑎𝑝 𝑦 ℎ𝑐𝑜𝑛𝑑), a una presión de saturación definida según la necesidad de refrigeración, tal

como se observa en la ecuación [17] (Boas Richard, 2004):

��𝑅 =𝑄��

ℎ𝑒𝑣𝑎𝑝 − ℎ𝑐𝑜𝑛𝑑 [17]

El cálculo del paso de las concentraciones molares de refrigerante en las solución débil y

concentrada (𝑋𝐷𝑀 y 𝑋𝐶𝑀, respectivamente) a las concentraciones o porcentajes de masa

respectivos (𝑋𝐷𝑤 y 𝑋𝐶𝑤), los cuales pueden establecerse según las ecuaciones [18] y [19](Boas

Richard, 2004).


110

𝑋𝐷𝑤 =

17 ∙ 𝑋𝐷𝑀

17 ∙ 𝑋𝐷𝑀 + 18 ∙ (1 − 𝑋𝐷𝑀) [18]

𝑋𝐶𝑤 =

17 ∙ 𝑋𝐶𝑀

17 ∙ 𝑋𝐶𝑀 + 18 ∙ (1 − 𝑋𝐶𝑀) [19]

Se requiere calcular el volumen de la solución para determinar el tamaño del tanque de

almacenamiento en donde se desarrollarían las operaciones unitarias de generación de refrigerante

y absorción, así como una aproximación de los requerimientos de tubería en el dispositivo. Para ello

es necesario estimar en primer lugar la densidad volumétrica de la solución (ecuación [20]), teniendo

en cuenta la densidad volumétrica del refrigerante (𝑉𝐿𝑅) y la del agua (𝑉𝐿𝐴) a temperatura

ambiente (Boas Richard, 2004). La ecuación [21] establece el volumen 𝑉 de la solución (equivalente

al volumen requerido del tanque) teniendo en cuenta un tiempo 𝑡 de acumulación en el proceso.

𝑉𝑠𝑜𝑙 = 0,85 ∗ 𝑋𝐶𝑊 ∗ 𝑉𝐿𝑅 + (1 − 𝑋𝐶𝑊) ∗ 𝑉𝐿𝐴 [20]

𝑉 = ��𝐶 ∗ 𝑉𝑠𝑜𝑙 ∗ 𝑡 [21]

Es posible determinar una aproximación sobre la necesidad de área del colector solar (𝐴𝐶)

requerido para el funcionamiento del dispositivo de absorción, es cual según Boas (Boas Richard,

2004), implica determinar el calor requerido en el proceso de generación y la ganancia de energía

útil del colector solar (ecuación [22]). El calor requerido para el proceso de generación no solo

debería considerar el calor 𝑄𝐺 de generación, sino también el calor que se pierde en el tanque a

través de las paredes (𝑄𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒), por lo cual se tiene en consideración:

𝐴𝐶 =

𝑄𝑅𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜

𝑄Ú𝑡𝑖𝑙

=𝑄𝐺 + 𝑄𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒

𝑄Ú𝑡𝑖𝑙

[22]

El calor que se pierde a través de las paredes del tanque puede determinarse según la ecuación [23]

teniendo en cuenta la diferencia entre la temperatura exterior del dispositivo (𝑇𝐸𝑥) y la temperatura

ambiente (𝑇0), asumiendo que el calor que se pierde a través de las paredes por conducción es

equivalente al calor que se transmite al ambiente por convección (Boas Richard, 2004), por lo cual

se tiene en cuenta el coeficiente de convección del material de las paredes (ℎ𝑒) así como el área de

las mismas (2 ∗ 𝜋 ∗ 𝑟𝑒𝑥𝑡 ∗ 𝑙 + 2 ∗ 𝜋 ∗ 𝑟𝑒𝑥𝑡2):

𝑄𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 =

𝑇𝐸𝑥 − 𝑇01

ℎ𝑒∗[(2∗𝜋∗𝑟𝑒𝑥𝑡∗𝑙)+2∗(𝜋∗𝑟𝑒𝑥𝑡2)

[23]


111

Teniendo en cuenta la utilización de un colector solar de placa plana, usualmente empleados en

ciclos de simple efecto (Allouhi et al., 2015), el calor útil (𝑄Ú𝑡𝑖𝑙), podría aproximarse al calor

incidente en un determinado lugar según la irradiación del sitio y el tiempo de recolección (periodo

de funcionamiento) tal como se observa en la ecuación [24], donde además se tiene en cuenta un

factor de corrección 𝛼 (Boas Richard, 2004). Sin embargo, para tener una aproximación más real,

se deberían tener en cuenta las pérdidas de calor en el colector por convección, radiación y

conducción, representadas en un coeficiente global de pérdidas de calor 𝑈𝐿 el cual tendría presente

la diferencia de temperatura de la solución en el proceso de generación (equivalente a la

temperatura de generación de refrigerante) y la temperatura ambiente (Boas Richard, 2004). La

ecuación [25] estima el calor útil del colector teniendo presente un factor de evacuación de calor

característico en un determinado colector solar (𝑓𝑟𝑐).

𝑄𝐼𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 =

𝐼𝑛𝑠𝑜𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜

𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜𝑑𝑒𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜∗ 𝛼 [24]

𝑄Ú𝑡𝑖𝑙 = 𝑓𝑟𝑐 ∗ [𝑄𝐼𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 − [𝑈𝐿 ∗ (𝑇𝑆𝑜𝑙 − 𝑇0)]] [25]

Una vez determinados 𝑄𝑅𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 y 𝑄Ú𝑡𝑖𝑙 es posible determinar una aproximación sobre el área del

colector según la ecuación [22].

La eficiencia energética del dispositivo(𝐶𝑂𝑃) debe considerar el calor absorbido por el refrigerante

en la caja de enfriamiento, el cual está representado por 𝑄𝑖 y el calor que ingresa para impulsar el

ciclo de refrigeración específicamente en el proceso de generación, el cual está representado por

𝑄𝐺(Boas Richard, 2004). La ecuación [26] representa el cálculo estimado del COP para el ciclo de

refrigeración por absorción:

𝐶𝑂𝑃 =

𝑄𝑖

𝑄𝐺 [26]

4.8. Cálculo de parámetros

Para el desarrollo de los parámetros de diseño del refrigerador por absorción solar se establecen los

siguientes parámetros de entrada:

• Cámara frigorífica cúbica con 40 cm de lado (64.000 𝑐𝑚3 = 64 𝑙). Con estas dimensiones

se podrían almacenar un promedio aproximado de productos según se muestra en la Tabla

27 en la cual las dimensiones del pescado se toman teniendo en cuenta las proporciones

promedio del pez Tilapia (Pino, 2013), una de las especies piscícolas más cultivadas en

Colombia (Parrado, 2012); las dimensiones de la carne se establecieron con el promedio

establecido por Torres et. al. en muestras de 20 g de carne fresca y congelada de diferentes

partes de vacuno, pollo, cerdo y pavo (Torres & Barat, 2011); para determinar la unidad de


112

medida para la capacidad de almacenamiento de frutas y verduras se toman como

referencia las dimensiones del tomate siendo esta una hortaliza muy común en el consumo

a su vez con una de las mayores pérdidas postcosecha (Pinzón, Cardozo, & Portilla, 2012);

para la estimación en almacenamiento de vacunas y fármacos se utilizan las dimensiones

de una dosis en un empaque cilíndrico de 40 𝑐𝑚2. La capacidad de almacenamiento es

una medida considerada como parámetro de entrada aceptable, sin embargo, puede verse

como una variable que puede aumentarse para lo cual se debería tener en consideración

que, según la revisión bibliográfica, a mayores volúmenes de almacenamiento se requieren

mayores áreas en los colectores solares (N’Tsoukpoe et al., 2014) lo que a su vez

aumentaría el costo del dispositivo.

Tabla 27. Capacidad de almacenamiento de algunos productos básicos, en una cámara de 64 l

Producto Dimensiones por unidad

(alto x ancho x largo) [cm]

Capacidad de

almacenamiento aproximada

Pescado 3 x 11 x 26 68 unidades

Carne (20 g) 4 x 3 x 1 106 kg

Tomate 5,5 x 5,1 x 7,1 316 unidades

Dosis de vacunas 10 x 2 x 2 1.600 dosis

Fuente: Elaboración propia con base en referencias bibliográficas.

• El espesor de la pared de la cámara frigorífica (𝑒) será de 15 𝑐𝑚 de tal forma que la carga

de enfriamiento en la cámara frigorífica se encuentre los suficientemente aislada de la

temperatura exterior. Se toma como referencia el espesor en otros prototipos propuestos

(Boas Richard, 2004).

• Temperatura mínima de enfriamiento (temperatura de almacenamiento): -18 °C. Se

establece debido a que es la menor temperatura requerida dentro del rango de productos

que requieren refrigeración en las ZNI, equivalente a la temperatura de refrigeración del

pescado, un producto de gran acogida en especial en la zona del pacífico, donde se

concentra gran parte de la población en ZNI.

• Carga de enfriamiento: 5 kg de 𝐻2𝑂. Esta carga se toma como referencia para establecer la

carga térmica máxima que el ciclo debería ser capaz de refrigerar dentro de la cámara

frigorífica. Previo a realizar la estimación de la carga, se realizaron cálculos en los que se

identificó que mayores cargas implican el uso de colectores solares de grandes

dimensiones, lo cual puede observarse en la Figura 30 de la sección 4.9 (Análisis de

sensibilidad).

• Durante el proceso de generación (etapa 1) realizado durante el día, se utilizará agua como

fluido secundario para recubrir la cámara frigorífica y mantener constante la temperatura

interna de refrigeración bajo un diferencial límite máximo establecido, el cual puede


113

estimarse según las diferencias entre los límites máximos y mínimos en los rangos de

temperaturas óptimas para los alimentos descritos en la Tabla 4 el cual es en promedio de

3,5 °C. Por ello se establece un diferencial máximo permitido de 3 °C con respecto a la

temperatura deseada de refrigeración.

• Utilización del par de trabajo amoniaco – agua (𝑁𝐻3 − 𝐻2𝑂), siendo el agua la solución

absorbente y el amoniaco el refrigerante, debido a que es el par de trabajo más práctico en

aplicaciones que requieren temperaturas por debajo de los 0 °C (Ibarra & Platzer, 2017)

• Según Boas et. al. (2004) el proceso de absorción solo ocurre en condiciones en las cuales

la temperatura del proceso es superior a la temperatura ambiente promedio, la cual

equivaldría a la temperatura promedio nocturna (etapa 2) ya que de esta forma se permitiría

la disipación de calor durante la reacción. Teniendo una temperatura promedio de 20 °C

(Caicedo & Daniel, 2012), se establece adecuada una temperatura 𝑇1 para el proceso de

absorción de 24 °C (75,2 °F).

• De acuerdo con Boas et. al. (2004) para lograr el proceso de condensación la temperatura

𝑇2 debe ser superior a la temperatura ambiente ya que de esta forma se lograría la

disipación de calor. Debido a que este proceso ocurre durante el día se asume una

temperatura de condensación del refrigerante 𝑇2 equivalente a 30 °C (86 °F) siendo esta

una temperatura superior a la temperatura ambiente de los departamentos pertenecientes a

las ZNI (IDEAM, 2018a).

• Tal como se describió en la sección 3.3.2.1 (Refrigeración por absorción), aunque existen

variedad de tipos de colectores solares, cada uno de ellos es adecuado para un dispositivo

en particular dependiendo del número de efectos en el ciclo de absorción. Debido a que el

presente ciclo es de simple efecto resulta adecuada la utilización de un colector solar de

placa plana, el cual funciona bajo temperaturas relativamente bajas (Allouhi et al., 2015),

con una temperatura máxima 𝑇3 de 80 °C (176 °F) equivalente al aproximado común entre

este tipo de colectores (Grossman, 2002). Un colector solar tiene como ventaja ser de fácil

acceso para uso comercial y doméstico, este funciona con el fin de convertir la energía solar

en térmica a través del calentamiento de un fluido, comúnmente agua (Fudholi & Sopian,

2019); el colector solar de placa plana, usualmente empleado para la refrigeración por

absorción, básicamente se compone de una cubierta transparente que permite el paso de la

radiación solar, una placa absorbente de la energía térmica, y un aislamiento en la parte

inferior y en los lados.

Los siguientes son los supuestos de entrada para algunos parámetros de cálculo:

• Aumento estimado de la carga de enfriamiento por pérdidas en apertura de la puerta del

dispositivo: 10% basado en diseños de prototipos similares (Boas Richard, 2004).

• Coeficiente de convección exterior de la cámara frigorífica equivalente al coeficiente típico

de convección libre máxima en gases igual a ℎ𝑒 = 2𝑊

𝑚2 °𝐾 (I. Martinez, 1992).


114

Las siguientes son variables que afectan el diseño de un refrigerador por absorción y que dependen

de la zona geográfica. Para el desarrollo demostrativo de los cálculos se utilizarán los valores

correspondientes al departamento del Chocó (posteriormente se especificará el cambio de los

parámetros generados según las variaciones por departamento):

• Temperatura promedio del clima (𝑇0): 26,60 °C (IDEAM, 2018a)

• Nivel de Irradiación: 4 𝑘𝑊

𝑚2 𝑑𝑖𝑎 (IDEAM, 2018a)

4.8.1. Cálculo de la carga total de enfriamiento

Para la determinación de la carga total de enfriamiento se debe calcular la carga del producto a

enfriar(𝑄𝑖 ), la ganancia de calor por paredes(𝑄𝑝

) y la carga de calor del fluido secundario (𝑄𝑓𝑠 )

según la ecuación [5]. Para la determinación de la carga del producto a enfriar se considera una

masa de agua de 5 kg a temperatura ambiente (26,60 °C) la cual se lleva a la temperatura de

refrigeración deseada (-18 °C). Esto implica el retiro de calor sensible de 26,60 °C (300,01 ° K) a 0

°C (273,5 °K), así como de calor latente de fusión (cambio de fase) y el calor sensible de 0°C a -18

°C (255,5 °K). El calor específico del agua 𝐶𝑝1 a 26 °C es de 4180 J/kg*°K, el calor específico

𝐶𝑝2 del agua congelada es de 2050 J/kg*°K (ver Anexo 17. Calor específico de diferentes

sustancias) y el calor latente 𝐶𝑓 de fusión es de 334.000 J/kg (ver Anexo 18. Punto de fusión y

ebullición para varias sustancias). La ecuación [27] determina 𝑄𝑖 utilizando la ecuación [5]:

𝑄𝑖 = 5 𝑘𝑔 ∗ 4180

𝐽

𝑘𝑔 °𝐾∗ (300,01 °𝐾 − 273,5 °𝐾) + 5 𝑘𝑔

∗ 334.000 𝐽

𝐾𝑔+ 5 𝑘𝑔 ∗ 2050

𝐽

𝑘𝑔 °𝐾

∗ (273,5 °𝐾 − 255,5 °𝐾)

[27]

𝑄𝑖 = 2′410.440 𝐽 = 669,57 𝑊ℎ [28]

Teniendo en cuenta un periodo de trabajo del dispositivo de 8 horas al día en el proceso de

generación, se tiene entonces una carga 𝑄𝑖 de 83,70 W, tal como se muestra en la ecuación [29]:

𝑄𝑖

=669,57 𝑊ℎ

8 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠= 83,70𝑊 [29]

El cálculo de la ganancia de calor a través las paredes (𝑄𝑝 ) tiene en cuenta el calor a través de

cada una de las seis caras de la cámara de refrigeración. Se determina la utilización de poliestireno compacto como material de aislamiento debido a su baja conductividad térmica 𝑘 equivalente a un

promedio de 0,02588 W/m*°K (Khoukhi, 2018). Para la determinación de 𝑄�� se emplea la ecuación


115

[7], teniendo una temperatura ambiente 𝑇0 de 300,10 °𝐾, una temperatura de almacenamiento 𝑇𝐴𝑙𝑚 de 255,5 °𝐾, un espesor 𝑒 de la pared equivalente a 15 cm, el área de transferencia de calor

(área de la pared) 𝐴𝑠 de 0,16 𝑚2 en cada cara de la cámara de refrigeración y el coeficiente de

convección exterior estimado ℎ𝑒es en 2 𝑊/𝑚2°𝐾 (I. Martinez, 1992). La ecuación [30]

muestra el cálculo de 𝑄�� en total, teniendo en cuenta las 6 caras de la cámara frigorífica:

𝑄�� =300,10 °𝐾 − 255,5 °𝐾

0,15 𝑚

0,02588 𝑊

𝑚 °𝐾 ∙0,16𝑚2

+1

2𝑊

𝑚2 °𝐾∙0,16𝑚2

∗ 6 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑𝑒𝑠 [30]

𝑄�� = 6,80 𝑊 [31]

Para el cálculo de la carga de calor del fluido secundario, teniendo en cuenta que se emplea agua

para recubrir la cámara frigorífica y mantener constante la temperatura interna en las 8 horas

restantes en las que el dispositivo deja de retirar el calor en el proceso de generación (etapa 1), se

tiene presente, según la ecuación [9], una temperatura media (𝑇𝑚) equivalente a 277,80 °K [(𝑇0 −

𝑇𝑎𝑙𝑚)/2]. Según el cálculo del calor transmitido por las paredes, el calor que el fluido secundario

debería absorber en 8 horas se muestra en la ecuación [32]:

𝑄𝑝 = 6,80 𝑊 ∗ 8 ℎ = 54,41 𝑊ℎ = 195.855 𝐽 [32]

La masa necesaria de fluido secundario se calcula en la ecuación [33], según la ecuación [8],

teniendo un calor específico del agua a 277,80 °K (4,3 °C) de 4206,7 [J/kg °K] (Anexo 16. Calor

específico del agua), y estableciendo un rango de tolerancia de diferencia de temperatura de 3°:

𝑚 =

195.855 𝐽

4206,7𝐽

𝑘𝑔 °𝐾∗ 3°

= 15,52 𝑘𝑔𝑑𝑒𝐻2𝑂 [33]

Por tanto, el calor que recibe el fluido secundario, según la ecuación [9], equivaldría a 50,55 W

(ecuación [34]), teniendo en cuenta el periodo de 8 horas de la etapa 1 en la cual cumple su función

como receptor de la energía ambiente:

𝑄𝑓𝑠 = 15,52 𝑘𝑔 ∗ 4206,7

𝐽

𝑘𝑔 °𝐾∗ (277,8 °𝐾 − 255,5 °𝐾) = 1455,86 𝑘𝐽 [34]

𝑄𝑓𝑠

=1455,86 𝑘𝐽

8 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 ∗ 3.600 𝑠= 50,55 𝑊 [35]

De acuerdo con la ecuación [5] la carga total de enfriamiento equivaldría a 141,05 W (ecuación [36]),

sin embargo resulta apropiado tener en cuenta un ajuste del 10% por cambios de temperatura

interna (pérdida de enfriamiento) a causa de la apertura de la puerta, por lo cual 𝑄𝑇 tendría un valor


116

aproximado de 155,15 W (ecuación [37]), es decir, esta sería la carga que el dispositivo debe ser

capaz de retirar para cumplir con el objetivo de refrigeración.

𝑄𝑇 = 83,70 𝑊 + 6,80 𝑊 + 50,55 𝑊 = 141,05 𝑊 [36]

𝑄𝑇 = 141,05 𝑊 ∗ 1,1 = 155,15 𝑊 = 558,55 [

𝑘𝐽

ℎ]

[37]

4.8.2. Calor de generación

Para determinar el calor necesario para la generación de amoniaco a partir de la solución

concentrada según la ecuación [10] se utilizan las temperaturas de evaporación y condensación del

refrigerante saturado para así mismo establecer las entalpías asociadas y por consiguiente el flujo

másico del refrigerante (ecuación [17]). En primer lugar, teniendo en cuenta que se busca que la

carga de enfriamiento llegue a -18 °C, la temperatura del refrigerante debe llegar a un valor

aproximado de -20 °C; es decir, a esta temperatura debería descender el refrigerante luego de salir

del condensador, entrando al evaporador, teniendo en cuenta una válvula de expansión intermedia

que separa las zonas de alta y baja presión, en el condensador y el refrigerador respectivamente,

disminuyendo la temperatura del refrigerante. A – 20 °C se tiene una entalpia en el vapor saturado

de 1437,68 kJ/kg y una entalpia en el líquido saturado de 108,55 kJ/kg (Anexo 19. Propiedades del

refrigerante amoniaco), por tanto, según la ecuación [17], el flujo másico de refrigerante es de 0,420

kg/h (ecuación [38]).

��𝑅 =558,55

𝑘𝐽

ℎ

1437,68 𝑘𝐽

𝐾𝑔− 108,55

𝑘𝐽

𝐾𝑔

= 0,420𝑘𝑔

ℎ

[38]

El fluido refrigerante podrá pasar del evaporador al tanque (para iniciar el proceso de absorción)

hasta llegar a un punto en el que ambas presiones se igualen; teniendo una temperatura de -20 °C,

esta presión (𝑃1) equivaldría a 190,08 kPa (27,57 psi) (Anexo 20. Diagrama de presión vs

temperatura en solución acuosa de amoniaco). A esta presión máxima en el proceso de absorción

iniciaría el proceso de generación. Teniendo en cuenta que el proceso de absorción lleva a cabo una

reacción exotérmica (Boas Richard, 2004), se debe establecer una temperatura para el proceso

mayor a la temperatura ambiente, tal que pueda disiparse el calor correspondiente. Ya que el

proceso de absorción se realiza en las noches, no es necesario que dicha temperatura resulte muy

elevada; para este caso se establecerá una temperatura de absorción 𝑇1 de 24 °C (75,2 °F).


117

Conociendo 𝑃1 y 𝑇1 es posible determinar la concentración con la cual la solución inicia el proceso

de generación. Según la carta de amoniaco-agua (Anexo 20. Diagrama de presión vs temperatura

en solución acuosa de amoniaco) en el dicho porcentaje sería de 40% de concentración molar

(𝑋𝐶𝑀), el cual sería el valor máximo de concentración en el ciclo ya que en el generador empezaría

a evaporarse el amoniaco.

Una vez inicia el proceso de generación en la solución concentrada, aumentará la temperatura

gracias al calor recibido por el colector solar. Esta temperatura deberá llegar a un punto de

condensación acorde al proceso de condensación posterior, en donde la temperatura sea mayor a la

temperatura ambiente, tal que se pueda disipar el calor del refrigerante sobrecalentado. Se estima

una temperatura 𝑇2 de condensación equivalente a los 30 °C (86 °F). Por tanto, una vez la solución

en el generador llegue a esta temperatura deberá iniciar un proceso isobárico alcanzando la

temperatura máxima de funcionamiento colector 𝑇3, la cual se estima en 80 °C (176 °F) según el

funcionamiento típico de un colector de placa plana (Grossman, 2002). La carta de amoniaco (Anexo

20) agua muestra que, siguiendo la línea de concentración molar hasta llegar a la temperatura de

condensación de 86 °F, se alcanza una presión 𝑃2 de 241 kPa (35 psi), luego de la cual, siguiendo

la línea de presión constante, al alcanzar la temperatura máxima del colector de 176 °F, el

porcentaje de concentración molar disminuye hasta llegar a un 17% (𝑋𝐷𝑀). Una vez la solución

llegue a este punto de concentración más débil (habiendo liberado la mayor cantidad de refrigerante

al condensador), disipará el calor disminuyendo en presión y temperatura hasta alcanzar la

temperatura de absorción 𝑇1 (24 °C /75,2 °F), a la cual, siguiendo la línea de concentración molar de

17%, corresponde una presión 𝑃3 de aproximadamente 4,2 psi (28,96kPa) según el Anexo 20.

Las ecuaciones [39] y [41] establecen las concentraciones de masa en la solución con concentración

débil y concentrada, respectivamente, teniendo en cuenta las concentraciones molares 𝑋𝐷𝑀 (17%) y

𝑋𝐶𝑀 (40%) determinadas anteriormente:

𝑋𝐷𝑤 =

17 ∙ 0,17

17 ∙ 0,17 + 18 ∙ (1 − 0,17) [39]

𝑋𝐷𝑤 = 16,21 % [40]

𝑋𝐶𝑤 =

17 ∙ 0,40

17 ∙ 0,40 + 18 ∙ (1 − 0,40) [41]

𝑋𝐶𝑤 = 38,64 % [42]

Las ecuaciones [43] y [44] establecen los flujos másicos de las soluciones con concentración débil y

concentrada, según se establece en las ecuaciones [15] y [16]:


118

��𝐷 =(1 − 38,64) ∙ 0,420

𝑘𝑔

ℎ

0,3864 − 0,1621= 1,15

𝑘𝑔

ℎ [43]

��𝐶 =(1 − 0,1621) ∙ 0,420

𝑘𝑔

ℎ

0,3864 − 0,1621= 1,57

𝑘𝑔

ℎ [44]

Los flujos másicos del refrigerante y del agua para las soluciones de concentración débil y

concentrada se calculan en las ecuaciones [45], [46], [47] y [48] según las ecuaciones [11], [12], [13]

y [14]:

��𝐷𝑅 = 0,1621 ∗ 1,15

𝑘𝑔

ℎ= 0,186

𝑘𝑔

ℎ [45]

��𝐷𝐴 = (1 − 0,1621) ∗ 1,15

𝑘𝑔

ℎ= 0,963

𝑘𝑔

ℎ [46]

��𝐶𝑅 = 0,3864 ∙ 1,57

𝑘𝑔

ℎ= 0,607

𝑘𝑔

ℎ [47]

��𝐶𝐴 = (1 − 0,3864) ∙ 1,57

𝑘𝑔

ℎ= 0,963

𝑘𝑔

ℎ [48]

La Tabla 28 relaciona las entalpias correspondientes del agua y del amoniaco, en cada caso según

el Anexo 15. Propiedades del agua y el Anexo 19. Propiedades del refrigerante amoniaco:


119

Tabla 28. Entalpias asociadas a los diferentes estados del refrigerante y el agua en el sistema.

Nomenclatura de la entalpia Temperatura Entalpia

ℎ𝐷𝑅

(refrigerante en solución débil)

80 °C 600,34 kJ/kg

ℎ𝐷𝐴

(agua en solución débil)

80 °C 334,91 kJ/kg

ℎ𝑅

(refrigerante)

80 °C 1474,32 kJ/kg

ℎ𝐶𝑅

(refrigerante en solución concentrada)

24 °C 312,87 kJ/kg

ℎ𝐶𝐴

(agua en solución concentrada)

24 °C 100,70 kJ/kg

Fuente: Anexo 15. Propiedades del agua y el Anexo 19. Propiedades del refrigerante amoniaco

La ecuación [49] calcula el calor del generador teniendo en cuenta la ecuación [10] y las entalpias

asociadas en la Tabla 28:

��𝐺 = 0,186

𝑘𝑔

ℎ∙ 600,34

𝑘𝐽

𝑘𝑔+ 0,963

𝑘𝑔

ℎ∙ 334,91

𝑘𝐽

𝑘𝑔+ 0,420

𝑘𝑔

ℎ

∙ 1474,32𝑘𝐽

𝑘𝑔− 0,607

𝑘𝑔

ℎ∙ 312,87

𝑘𝐽

𝑘𝑔− 0,963

𝑘𝑔

ℎ

∙ 100,70𝑘𝐽

𝑘𝑔

[49]

��𝐺 = 767,29

𝑘𝐽

ℎ= 213,14 𝑊 [50]

4.8.3. Volumen del tanque de almacenamiento

El volumen del tanque de almacenamiento de la solución se calcula a partir de la cantidad de

solución concentrada requerida en el ciclo, ya que esta contiene las necesidades de refrigerante y

agua requeridas. Para calcular el volumen de la solución concentrada se determina en primer lugar

su densidad volumétrica (𝑉𝑠𝑜𝑙) siguiendo la ecuación [20], donde la densidad volumétrica del

refrigerante amoniaco (𝑉𝐿𝑅) equivale a 0,00166306 𝑚3

𝑘𝑔y la densidad volumétrica del agua es de

0,00100301 𝑚3

𝑘𝑔 a temperatura ambiente. Según la ecuación [51], 𝑉𝑠𝑜𝑙 equivale a 0,001161

𝑚3

𝑘𝑔.


120

𝑉𝑠𝑜𝑙 = 0,85 ∗ 0,3864 ∗ 0,00166306

𝑚3

𝑘𝑔+ (1 − 0,3864)

∗ 0,00100301 𝑚3

𝑘𝑔= 0,001162

𝑚3

𝑘𝑔

[51]

Siguiendo la ecuación [21], el volumen de la solución (𝑉), y así mismo del tanque de

almacenamiento, equivale a aproximadamente 30 litros (ecuación [53]) teniendo presente un tiempo

de trabajo de 16 horas de acumulación en el proceso de absorción (etapa 2):

𝑉 = ��𝐶 ∗ 𝑉𝑠𝑜𝑙 ∗ 16 ℎ = 1,57

𝑘𝑔

ℎ∗ 0,001162

𝑚3

𝑘𝑔∗ 16 ℎ = 0,0292 𝑚3 [52]

𝑉 = 0,0292 𝑚3 ∗

1.000 𝑙

1 𝑚3= 29,2 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 ≈ 30 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 [53]

Partiendo de una forma cilíndrica para el tanque de almacenamiento, una opción factible para el

diseño es una configuración interna con un radio de 17,24 cm y 32,14 cm de alto.

4.8.4. Calor de pérdida en el tanque

El calor que se pierde a través de las paredes del tanque de almacenamiento se define según la

ecuación [25], donde la temperatura en la superficie exterior del dispositivo 𝑇𝐸𝑥 se estima en +1°C

sobre 𝑇𝑜 (27,6 °C = 301,1 °K), mientras que el coeficiente de convección del tanque ℎ𝑒 se estima en

18 𝑊

𝑚2∗°𝐾 teniendo en cuenta el promedio típico de convección libre del aire (Kreith, Bohn, & Manglik,

2012). Considerando las características del volumen del tanque definidas anteriormente, se estima

un radio r exterior del tanque (con un grosor de +3 cm) equivalente a 20,24 cm y un alto 𝑙 del tanque

equivalente a 35,14 cm. Según la ecuación [54] el calor que se pierde a través de las paredes del

tanque de almacenamiento es de 12,6 W:

𝑄𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 =

301,1 °𝐾 − 300,1 °𝐾1

18 𝑊

𝑚2∗°𝐾,∗[(2∗𝜋∗0,2024 𝑚∗0,3514 𝑚)+2∗(𝜋∗(0,2024 𝑚)2)]

= 12,6 𝑊 [54]


121

4.8.5. Área del colector solar

Para la determinación del área aproximada requerida para el colector solar se utiliza la ecuación

[22]. Para ello se estima en primer lugar el calor útil (ecuación [56]), teniendo en cuenta un calor

incidente (𝑄𝐼𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒) de 600 𝑊/𝑚2. El calor incidente se calcula según la ecuación [24] a partir

las características de irradiación en el Chocó (aproximadamente 4.000 𝑊ℎ/𝑚2), con un periodo de

máxima irradiación de 6 horas al día y un factor de corrección 𝛼 estimado en 0,9 (ecuación [55]).

𝑄𝐼𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 =4000

𝑊ℎ

𝑚2

6 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠∗ 0,9 = 600

𝑊

𝑚2 [55]

Asumiendo un factor de evacuación de calor 𝑓𝑟𝑐 igual a 1, un coeficiente total de pérdidas de calor

𝑈𝐿 estimado en 8 𝑊

𝑚2°𝐾 (Boas Richard, 2004) y una temperatura para el proceso de generación

(𝑇𝐺𝑒𝑛) ya definida en 80 °C (353°K), el calor útil equivale a 22,8 𝑊/𝑚2 (ecuación [56])

𝑄Ú𝑡𝑖𝑙 = 1 ∗ [600

𝑊

𝑚2− [8

𝑊

𝑚2°𝐾∗ (353,5°𝐾 − 300,1°𝐾 )]] = 172,8

𝑊

𝑚2 [56]

Siguiendo la ecuación [22], el área del colector solar requerida para el dispositivo sería de

aproximadamente de 1,31𝑚2 (ecuación [57]).

𝐴𝐶 =

213,14 𝑊 + 12,62 𝑊

172,8𝑊

𝑚2

= 1,31 𝑚2 [57]

4.8.6. Coeficiente de rendimiento COP

El Coeficiente de Rendimiento Teórico (COP) para los parámetros establecidos se genera según la

ecuación [26] teniendo en presente el calor absorbido 𝑄𝑖 y el calor que ingresa al sistema definido

en 𝑄𝐺. Según la ecuación [58] para este caso, el COP equivale a 0,393.

𝐶𝑂𝑃 =

𝑄𝑖

𝑄𝐺=

83,70 𝑊

213,14 𝑊= 0,3927 [58]

Los parámetros anteriormente definidos serán validados a continuación a través de un análisis de

sensibilidad en el cual se evalúa el comportamiento de las variables más significativas en el modelo

en función de la modificación de otros parámetros o variables. Luego de ello se realiza la prueba del

modelo completo a través de un software de simulación, con lo cual se determinará la exactitud de la

magnitud de cada uno de los parámetros y las modificaciones necesarias.


122

4.8.7. Plano del dispositivo

Luego de calcular los parámetros de diseño del dispositivo, en la Figura 29 se muestra el plano con

cada una de las partes que conforman el dispositivo de refrigeración propuesto.


123

Figura 29. Plano del refrigerador por absorción propuesto.



124

4.9. Análisis de sensibilidad

A continuación, se desarrolla un análisis de sensibilidad con el objeto de observar el comportamiento

de diferentes variables importantes en el diseño, como lo son el área del colector solar y el

coeficiente de rendimiento (𝐶𝑂𝑃), a favor de una mejor validación y análisis de los parámetros

calculados a partir de la visualización de diferentes escenarios (modificación de variables).

En primer lugar, se analiza el comportamiento del área del colector solar y el coeficiente de

rendimiento en función de la carga de enfriamiento manteniendo constante el espesor de la cámara

de enfriamiento, lo cual se observa en la mayor carga de enfriamiento mayor es el área requerida del

colector solar lo cual se explica considerando que se requiere de mayor suministro de energía. Por

otro lado, el COP también aumenta en la medida en que aumenta dicha carga, con una disminución

tangencial especialmente evidente luego de los 20 kg de carga, al cual equivale una necesidad de 5

𝑚2 en el área del colector solar. Se debe tener presente que a mayor área del colector mayor es el

costo monetario y el espacio requerido para el dispositivo. Considerando una frontera máxima de 1,5

𝑚2 para el área del colector solar resultaría adecuada una carga de enfriamiento de

aproximadamente 5 kg con un COP de 0.39, la cual se tomó como parámetro en los cálculos del

modelo.

Figura 30. Variación del área del colector solar y el coeficiente de rendimiento en función de la carga

de enfriamiento



125

Una variable importante de analizar es el espesor de la cámara frigorífica, debido a que representa

un costo de material (poliestireno compacto) que podría disminuir en influyendo en otras variables

como el área del colector solar. En la Figura 31 se observa el efecto que genera el espesor de la

cámara en el área del colector solar y el 𝐶𝑂𝑃 donde a mayor espesor se logra una mejoría en

ambas variables, ya que el área disminuye y el 𝐶𝑂𝑃 aumenta. Al aumentar el espesor, la ganancia

de calor proveniente del exterior de las paredes es menor, por lo tanto, se reduce la carga total de

enfriamiento y el calor de generación necesario a una proporción que resulta en el aumento del

COP; de igual manera, al disminuir la carga total de enfriamiento, disminuye el calor requerido para

el proceso de generación y por lo tanto el área del colector de suministro. En la línea del área del

colector se observa una disminución tangencial a medida que el espesor aumenta lo cual se

empieza a evidenciar en mayor medida luego de los 10 cm de espesor donde se observa una

tendencia al área del colector de 1 𝑚2. En este sentido aumentar el grosor por encima de los 15 cm

establecidos en el presente diseño no se compensaría notablemente en la disminución del área del

colector. Por otro lado, en la línea del COP, aunque también se tiene una diminución tangencial a

medida que el espesor aumenta, esta se observa menor a la del área del colector. Sin embargo, se

debe tener en consideración que, incluso duplicando el espesor de 15 cm a 30 cm, el COP apenas

aumentaría en alrededor de un 24%. Por tanto, teniendo en cuenta el comportamiento del área del

panel y el COP, un aumento del espesor no parece tener una retribución significativa. Por otro lado,

una disminución del espesor en, por ejemplo, 5 cm, dejaría un espesor de 10 cm con un aumento del

área a 1,5 𝑚2, sin embargo el COP disminuiría por debajo de 0,3 lo cual podría considerarse un

rendimiento demasiado deficiente en comparación con dispositivos de la misma tecnología (López

et al., 2017).

Figura 31. Variación del área del colector solar y el coeficiente de rendimiento en función del espesor de la cámara de enfriamiento.



126

En la Figura 32 se observa la relación entre la masa de fluido secundario y en el volumen del tanque

de refrigerante en la medida en que varía el espesor de la cámara frigorífica. En ambos casos las

curvas tienen una mayor disminución en la tangente, observable especialmente luego de los 10 cm

de espesor lo cual indicaría que un aumento por encima de los 10 cm no traería un beneficio

considerable en la disminución de la masa de fluido secundario y el volumen del tanque. Teniendo

esto presente, junto con el análisis realizado en anteriormente en la Figura 32, se deduce que un

espesor de 15 cm resultaría adecuado en el modelo de diseño.

Figura 32. Variación de la masa de la masa de fluido secundario y en el volumen del tanque de

refrigerante en función del espesor de la cámara frigorífica.


Si el dispositivo se traslada de una región a otra, modificando la temperatura ambiente y

manteniendo constante el espesor de la cámara frigorífica, para lograr un funcionamiento adecuado

el área del colector solar debería modificarse según se muestra en la Figura 33, donde también se

relaciona la variación en el rendimiento (COP). En la medida en que la temperatura ambiente

aumenta el área del colector solar disminuye, lo cual se explicaría al considerar que el aumento de la

temperatura ambiente aumenta el calor útil 𝑄Ú𝑡𝑖𝑙 del colector solar (ver ecuación [25]) lo cual a su

vez disminuye el requerimiento del área del colector solar (ver ecuación [22]). Con respecto al COP

se observa que este disminuye en función del aumento en la temperatura ambiente lo cual se

relacionaría con el hecho de que se mantiene un espesor constante de la cámara en la medida en


127

que aumenta la temperatura circundante lo cual favorecería el ingreso de calor en la cámara a su

vez disminuyendo el rendimiento.

Figura 33. Variación del área del colector solar y el COP en función de la temperatura ambiente

manteniendo el espesor constante


Si se mantiene constante el área del colector solar y se modifica la temperatura ambiente, se

observaría un requerimiento del espesor de la cámara de enfriamiento según se muestra en la

Figura 34, donde también se relaciona el rendimiento (COP) del sistema. En la medida en que la

temperatura ambiente aumenta el espesor disminuye, lo cual se explica al considerar que a mayor

temperatura mejora el calor útil 𝑄Ú𝑡𝑖𝑙 del colector solar (ver ecuación [25]) lo cual a su vez disminuye

el área del colector solar, es decir, al ser el área del colector un parámetro constante, se obtiene por

consiguiente mayor calor de generación (𝑄𝐺) a la requerida y por consiguiente una disminución del

espesor en la cámara. Se debe tener en cuenta que, aunque el calor útil aumenta, también aumenta

la ganancia de calor en las paredes (𝑄𝑝), con lo cual aumenta la carga total (𝑄𝑇), sin embargo, la

gráfica demuestra que, a pesar de este aumento, es más significativa la proporción que aumenta de

calor útil y por lo tanto el espesor tiende a disminuir con cada aumento de temperatura. Con respecto

al COP se observa que disminuye en función del aumento en la temperatura ambiente lo cual

también se relacionaría con el aumento relativo del calor de generación 𝑄𝐺, ya que este es

inversamente proporcional al COP (ver ecuación [26]).


128

Figura 34. Variación del espesor de la cámara de enfriamiento y el COP manteniendo constante el

área del colector solar


4.10. Simulación del modelo

Para realizar la validación de los parámetros de diseño estimados se emplea el programa Aspen

Hysys V9, un software de simulación de procesos químicos el cual matemáticamente puede modelar

desde operaciones unitarias hasta plantas químicas completas y refinerías.

La Figura 35 muestra el ciclo de refrigeración diseñado en Hysys según el diseño propuesto donde

para cada componente real en el diseño corresponde un componente en la simulación, exceptuando

el tanque de almacenamiento, el cual se divide entre las operaciones unitarias que se realizan en su

interior siendo estas el proceso de generación de amoniaco, la extracción de calor a través de las

paredes para la solución con concentración débil y el proceso de absorción.


129

Figura 35. Simulación del ciclo de refrigeración por absorción en Aspen Hysys V9 según diseño

propuesto.

Fuente: Elaboración propia utilizando Aspen Hysys V9.

La Tabla 29 relaciona los componentes empleados en el diseño propuesto con los componentes

utilizados en la simulación ilustrados en la Figura 35:


130

Tabla 29. Relación entre los componentes del diseño y los componentes empleados en la

simulación.

Componente en el diseño Nombre del

componente en la simulación

Tipo de componente en la simulación

Conducto de salida de refrigerante desde el tanque de almacenamiento

Vapor Amoniaco 1 Flujo de material

Válvula de salida 1 Válvula 1 Válvula

Conducto de flujo de refrigerante desde la válvula 1 hasta el condensador

Vapor Amoniaco 2 Flujo de material

Condensador Condensador Enfriador por aire

Conducto de flujo de refrigerante desde el condensador hasta la válvula de expansión

Amoniaco Líquido a alta presión

Flujo de material

Válvula de expansión entre el condensador y el evaporador

Válvula de Expansión

Válvula

Conducto de flujo de refrigerante desde la válvula de expansión hasta el evaporador

Amoniaco líquido a baja presión

Flujo de material

Evaporador Evaporador Calentador

Carga total de enfriamiento Carga de

enfriamiento Flujo de energía

Conducto de salida de amoniaco del evaporador Amoniaco Gas 1 Flujo de material

Válvula de salida 2 Válvula 2 Válvula

Conducto de salida entre la válvula 2 y el tanque de almacenamiento

Amoniaco Gas 2 Flujo de material

Absorción en el tanque de almacenamiento Absorbente Mezclador

Generación de solución concentrada en el tanque de almacenamiento

Solución concentrada

Flujo de material

Generación de refrigerante amoniaco en el tanque de almacenamiento

Generador Tanque

Intercambio de calor entre el colector solar y el tanque de almacenamiento

Colector Solar Flujo de energía

Generación de solución con baja concentración

Solución Concentración

Débil Alta Temperatura

Flujo de material

Enfriamiento de solución con concentración débil en el tanque de almacenamiento

Enfriamiento por Paredes

Enfriador por aire

Generación de solución con baja concentración a baja temperatura

Solución Concentración

Débil Baja Temperatura

Flujo de material



131

En la simulación se define la utilización del par de trabajo Amoniaco – Agua (𝑁𝐻3 − 𝐻2𝑂) de

acuerdo con el diseño propuesto, siendo el agua el fluido absorbente y el amoniaco el refrigerante.

La Tabla 30 muestra los parámetros de entrada en la simulación en donde se definen variables

dependientes de factores externos al ciclo como lo es la temperatura ambiente (𝑇0), la temperatura

de almacenamiento (𝑇𝑎𝑙𝑚), la temperatura del proceso de absorción (𝑇1) (la cual se estableció

según la temperatura ambiente tal como se describe en la sección 4.7, la carga total de refrigeración

(𝑄𝑇) la cual depende de los productos que se ingresen la cámara frigorífica, el calor de generación

(𝑄𝐺) el cual se obtiene del colector solar, y el volumen del tanque de almacenamiento (𝑉).

También se definen las variables termodinámicas en una de las líneas de flujo, en donde se escoge

el flujo de solución concentrada, por lo cual se define como entrada su flujo másico y concentración

molar (��𝐶 𝑦 𝑋𝐶𝑀) así como la presión inicial en el proceso de absorción (𝑃3).

Tabla 30. Comparación entre parámetros en el modelo y parámetros de entrada dentro de la simulación.

Parámetro de entrada Valor en el modelo Valor en la

simulación

Ubicación del

parámetro en la

simulación

Temperatura ambiente

(𝑇0) 26,6 °C 26,6 °C

Amoniaco Líquido

a Alta Presión

Temperatura de

almacenamiento (𝑇𝑎𝑙𝑚) -20 °C -20 °C

Amoniaco Líquido

a Baja Presión

Temperatura del proceso

de absorción (𝑇1) 24 °C 24 °C

Solución

Concentrada

Carga total de

refrigeración (𝑄𝑇) 558,55 kJ/h 558,55 kJ/h

Carga de

enfriamiento

Calor de generación

(𝑄𝐺) 767,29 kJ/h 218 kJ/h Colector Solar

Volumen del tanque de

almacenamiento (𝑉) 30 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 30 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 Generador

Flujo másico de la

solución concentrada

(��𝐶)

1,57 kg/h 1,57 kg/h Solución

Concentrada

Concentración molar

(amoniaco) en la solución

concentrada (𝑋𝐶𝑀)

40 % 40 % Solución

Concentrada

Presión inicial en

absorción(𝑃3) 28,96 kPa 28,96 kPa

Solución

Concentrada



132

Cabe destacar que, siendo la carga total de refrigeración (𝑄𝑇) un parámetro de entrada en la

simulación se asume también como entrada en el sistema cada uno de sus componentes de cálculo

(𝑄𝑖 , 𝑄�� y 𝑄𝑓𝑠

), lo cual incluye la carga de enfriamiento de 5 kg de 𝐻2𝑂, incluida en la carga del

producto a enfriar (𝑄𝑖 ). Otro de los parámetros implícitos en la simulación es la temperatura de

condensación del refrigerante 𝑇2 la cual según el diseño se estableció en 30 °C, tal que la

temperatura fuera mayor a la temperatura ambiente para poder contar con un flujo de calor al

exterior. Esto se observa en la línea de flujo de Amoniaco Líquido a Alta Presión, en la cual se define

como parámetro de entrada con un valor de 26,6 °C, equivalente con la temperatura ambiente (𝑇0).

Se encontró que el parámetro de entrada para el calor de generación 𝑄𝐺 generaba una variación en

el flujo másico de refrigerante ��𝑅 y su temperatura (proceso de generación) en relación con los

valores calculados, así como variaciones en los parámetros posteriores dentro del ciclo de la

simulación. Para un valor 𝑄𝐺 equivalente al valor calculado en el modelo (767,29 kJ/h), el flujo

másico del refrigerante equivale a 0,6485 kg/h con una temperatura máxima de 105 °C. Este no

sería un factor acorde con la realidad ya que un colector solar de placa plana usualmente no

trabajan a temperaturas superiores a los 100 °C (Mendoza, 2017). Por tanto, se estableció 𝑄𝐺

como una variable de entrada (en lugar de un parámetro) ajustándolo en relación con el proceso de

generación de amoniaco, de tal forma que se estableciera el punto en el cual el colector solar logra

una temperatura y un flujo de refrigerante según los cálculos realizados, para una posterior revisión

de la validación matemática en la simulación. Con un flujo de calor en el colector solar 𝑄𝐺 de 218

kJ/h se genera un flujo de refrigerante de 0,4203 kg/h a una temperatura máxima de 85,5 °C, los

cuales son valores muy aproximados a los del diseño propuesto. La Figura 36 muestra los

resultados de la simulación del ciclo de absorción:


133

Figura 36. Resultados de la simulación del ciclo de absorción diseñado a través Aspen Hysys V9. Fuente: Elaboración propia utilizando Aspen Hysys V9


134

La Tabla 31 muestra las variables en el modelo diseñado en relación con los valores obtenidos

dentro de la simulación, así como su ubicación dentro de los componentes utilizados:

Tabla 31. Comparación entre variables en el modelo y variables de salida en la simulación.

Variable de salida Valor en el

modelo

Valor en la

simulación

Ubicación de la variable en la

simulación

Temperatura máxima en el

generador (𝑇3) (equivalente a la

temperatura máxima en el

colector)

80 °C 88,69 °C Generador

Temperatura máxima en el

refrigerante 80 °C 85,50 °C Vapor Amoniaco 1

Flujo másico del refrigerante

(��𝑅) 0,420 kg/h 0,4203 kg/h Vapor Amoniaco 1

Flujo másico de la solución con

concentración débil (��𝐷) 1,15 kg/h 1,15 kg/h

Solución Concentración Débil

Alta Temperatura

Flujo másico del refrigerante en

solución concentrada (��𝐶𝑅) 0,607 kg/h 0,607 kg/h Solución Concentrada

Flujo másico del agua en solución

concentrada (��𝐶𝐴) 0,963 kg/h 0,963 kg/h Solución Concentrada


solución de concentración débil

(��𝐷𝑅)

0,186 kg/h 0,2336 kg/h Solución Concentración Débil

Alta Temperatura


de concentración débil (��𝐷𝐴) 0,963 kg/h 0,9161 kg/h

Solución Concentración Débil

Alta Temperatura

Concentración másica (amoniaco)

en la solución concentrada (𝑋𝐶𝑤) 38,64 % 38,66 % Solución Concentrada

Concentración molar (amoniaco)

en la solución con concentración

débil (𝑋𝐷𝑀)

17 % 21,25 % Solución Concentración Débil

Alta Temperatura



débil (𝑋𝐷𝑤)

16,21 % 20,32 % Solución Concentración Débil

Alta Temperatura


Teniendo presente que el calor de generación (𝑄𝐺) depende de las entalpías de los componentes

en el proceso de generación de refrigerante (ver ecuación [10]), se entiende que el resultado de 𝑄𝐺


135

en la simulación representa mayor exactitud en la definición de esta magnitud en la medida en que

mide la temperatura de trabajo en el proceso. El valor de 𝑄𝐺 a partir del modelo de ecuaciones se

calcula a partir de temperaturas máximas teóricas (Tabla 28. Entalpias asociadas a los diferentes

estados del refrigerante y el agua en el sistema.), lo cual también es un escenario factible dentro del

ciclo. Para considerar ambos escenarios, se estima que 𝑄𝐺 se aproxima al promedio entre el valor

calculado en el modelo de ecuaciones (213,1 W) y el resultado de la simulación (60,6 W), lo cual

equivale a 492,65 kJ/h (136 W). Según los cálculos estimados para el área del colector solar en la

ecuación [24] a partir de la relación entre 𝑄𝐺 y los valores calculados de 𝑄𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 y 𝑄Ú𝑡𝑖𝑙, el área

del colector equivaldría a 0,86 𝑚2 frente a un área de 1,31 𝑚2 calculada teniendo en consideración

únicamente los resultados teóricos del modelo de ecuaciones. Finalmente, el Coeficiente de

Rendimiento Teórico (𝐶𝑂𝑃) que tiene en cuenta la relación entre 𝑄𝑖 y 𝑄𝐺 (ver ecuación [29])

equivaldría a 0,6116, donde el calor absorbido (𝑄𝑖) es equivalente al valor en el modelo de

ecuaciones, incluido en la simulación al estar contenido en el calor total de refrigeración (𝑄𝑇), el

cual es un parámetro de entrada. El resultado obtenido del 𝐶𝑂𝑃 se encuentra dentro del rango

general para dispositivos de absorción de una fase, el cual es de 0,6 a 0,8 (SET4food, 2014). La Tabla

32 resume las variables modificadas según la simulación en donde se observa que cada una de las

variables se encuentra asociada al calor de generación (𝑄𝐺), teniendo una mayor concentración de

amoniaco en la solución de concentración débil según la simulación.

Tabla 32. Magnitudes finales en variables modificadas según la simulación en Aspen Hysys V9

Variable Magnitud en modelo de

ecuaciones

Magnitud definitiva según

simulación

Calor de generación (𝑄𝐺) 767,29 kJ/h = 213,14 W 492,65 kJ/h = 136 W


solución de concentración débil

(��𝐷𝑅)

0,186 kg/h 0,2336 kg/h


de concentración débil (��𝐷𝐴) 0,963 kg/h 0,9161 kg/h

Concentración molar (amoniaco)


débil (𝑋𝐷𝑀)

17 % 21,25 %



débil (𝑋𝐷𝑤)

16,21 % 20,32 %

Área del colector solar 1,31 𝑚2 0,86 𝑚2

Coeficiente de Rendimiento

Teórico (𝐶𝑂𝑃) 0,393 0,612



136

Dentro de los parámetros no calculados en la sección 4.8 y obtenidos a partir de la simulación se

encuentra la caída de presión en la válvula de expansión entre el condensador y el evaporador, el

cual equivale a 235,9 kPa para una temperatura final del amoniaco de -20 °C. Este valor es útil

como referencia para establecer la máxima caída de presión que debería soportar la válvula de

expansión, ya que para casos con temperaturas más elevadas de refrigeración la presión debería

ser menor.

Un resultado particular en la simulación es el aumento de la presión en el tanque de almacenamiento

la cual según advierte el programa llegan a ser de 482,6 kPa lo cual no se contempló dentro de los

cálculos de diseño. Este valor de referencia es útil en la definición del material y el tipo de tanque de

almacenamiento, el cual debería soportar esta presión máxima más un factor de seguridad

adecuado. Esto también indica la necesidad de inclusión de un manómetro de lectura en el tanque.

Comparación de proyectos de refrigeración

4.11. Cálculo del costo y comparación con otros dispositivos

similares

Según los parámetros establecidos para el refrigerador por absorción, se procederá con el cálculo

del costo aproximado del dispositivo a favor de la comparación de este con otras tecnologías

similares, descritas en la sección 3.4. Se empleará el indicador 𝑈 mostrado en la ecuación [59] el

cual tiene en cuenta el precio del dispositivo, el volumen interno de la cámara de refrigeración, la

temperatura ambiente máxima que tolera el diseño (𝑡𝑒𝑚. 𝑎𝑚𝑏. 𝑚𝑎𝑥. ) y la temperatura mínima

de refrigeración (𝑡𝑒𝑚𝑝. 𝑚𝑖𝑛. 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑟. ). En la medida en que el indicador 𝑈 tenga un valor menor,

se entenderá que el dispositivo muestra una mejoría en la relación entre el precio, el volumen y las

temperaturas de trabajo, en comparación con los demás dispositivos.

𝑈 =

𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 ∗ (𝑡𝑒𝑚. 𝑎𝑚𝑏. 𝑚𝑎𝑥. −𝑡𝑒𝑚𝑝. 𝑚𝑖𝑛. 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑟. ) [59]

En la Tabla 37 se muestra el cálculo del costo del dispositivo teniendo en cuenta materia prima, con

un total aproximado de 327 USD (1’045.525 COP). Se observa que los costos de mayor valor

corresponden al polietileno de alta densidad (empleado en el espesor interno de la cámara

frigorífica), el refrigerante amoniaco y el colector solar de placa plana. Tomando el supuesto de que

la materia prima representa un 25% en el precio final del dispositivo, teniendo un restante 75%

distribuido en mano de obra, costos indirectos de fabricación y utilidad, se tendría un precio final

aproximado de 1.308 USD. Se tiene en cuenta un valor de utilidad de tal forma que se pueda realizar

una comparación equitativa con las demás tecnologías ya que estas a su vez cuentan con un valor

comercial.


137

Tabla 33. Cálculo aproximado del costo del dispositivo teniendo en cuenta materia prima

Material Utilidad Requerimiento por

unidad de producto

Precio aprox. del

material [COP]

Presentació

n del

material

Costo Total

[COP]

Plástico preformado con

densidad de 1 𝑔/𝑐𝑚3

Recubrimiento interno de la cámara

frigorífica 9.600 𝑐𝑚2 $ 4.5797 1.000 𝑔 $ 43.960

Lámina de acero 1018 Soporte de la estructura de la

cámara frigorífica 9.600 𝑐𝑚2 $ 2.400.0008 420.000 𝑐𝑚2 $ 54.857

Polietileno de alta densidad Espesor de aislamiento de la cámara

frigorífica 168.750 𝑐𝑚3 $ 63.0859

20 𝑚2 x 5

𝑚𝑚 $ 106.456

Lámina de policarbonato Recubrimiento exterior de la cámara

frigorífica 24.500 𝑐𝑚2 $ 104.50010 25.625 𝑐𝑚2 $ 99.912

Rodajas Base de la cámara frigorífica 4 𝑢𝑛𝑑 $ 58.70011 4 𝑢𝑛𝑑 $ 58.700

Pintura para policarbonato Recubrimiento de las superficies de

la cámara 100 𝑚𝑙 $ 73.90012 100 𝑚𝑙 $ 73.900

Manija en níquel Apertura de la puerta de la cámara 1 𝑢𝑛𝑑 $ 4.69013 1 𝑢𝑛𝑑 $ 4.690

Bisagra calibre 16 Giro de la puerta con respecto a la

cámara 1 𝑢𝑛𝑑 $ 3.49014 1 𝑢𝑛𝑑 $ 3.490

7 Precio tomado de la web: https://www.donramis.com.mx 8 Precio tomado de la web: https://spanish.alibaba.com 9 Precio tomado de la web: https://articulo.mercadolibre.com.ar 10 Precio tomado de la web: https://resopal.com 11 Precio tomado de la web: https://articulo.mercadolibre.com.co 12 Precio tomado de la web: https://articulo.mercadolibre.com.co 13 Precio tomado de la web: https://www.easy.com.co 14 Precio tomado de la web: https://www.easy.com.co


138

Evaporador Funcionalidad del evaporador en el

ciclo 1 𝑢𝑛𝑑 $ 18.99015 1 𝑢𝑛𝑑 $ 18.990

Condensador Funcionalidad del condensador en el

ciclo 1 𝑢𝑛𝑑 $ 7.54016 1 𝑢𝑛𝑑 $ 7.540

Tubería de acero cromado Transporte del refrigerante entre los

componentes del dispositivo 4 𝑚 $ 14.99017 8 𝑚 $ 7.495

Soldadura estaño Ensamble general 100 𝑔 $ 41.74318 100 𝑔 $ 41.743

Remaches Ensamble general 20 𝑢𝑛𝑑 $ 24.81419 20 𝑢𝑛𝑑 $ 24.814

Lámina de acero 1018 Armado del tanque 0,7043 𝑚2 $ 2.400.00020 420.000 𝑐𝑚2 $ 40.244

Tubería estructural

rectangular Soporte del tanque 1,2 𝑚 $ 82.70021

80 x 40 x 600

𝑐𝑚 $ 16.540

Válvula de esfera Restricción del paso de fluidos 2 𝑢𝑛𝑑 $ 22.99022 1 𝑢𝑛𝑑 $ 22.990

Válvula de aguja en acero

inoxidable Control de presión del refrigerante 1 𝑢𝑛𝑑 $ 66.90023 1 𝑢𝑛𝑑 $ 66.900

Manómetro Medición de presión en el tanque 1 𝑢𝑛𝑑 $ 16.99024 1 𝑢𝑛𝑑 $ 16.990

15 Precio tomado de la web: http://www.bundyoex.com/ 16 Precio tomado de la web: http://www.bundyoex.com/ 17 Precio tomado de la web: https://www.easy.com.co 18 Precio tomado de la web: https://articulo.mercadolibre.com.co 19 Precio tomado de la web: https://www.amazon.es 20 Precio tomado de la web: https://spanish.alibaba.com 21 Precio tomado de la web: https://www.homecenter.com.co 22 Precio tomado de la web: https://www.easy.com.co 23 Precio tomado de la web: https://articulo.mercadolibre.com.co 24 Precio tomado de la web: https://www.easy.com.co


139

Amoniaco Refrigerante 8,5888 𝑘𝑔 $ 330.00025 25 𝑘𝑔 $ 113.372

Agua destilada Absorbente 7,3288 𝑘𝑔 $ 47.60026 4 𝑘𝑔 $ 87.213

Tubería de acero cromado Flujo de agua del colector solar al

dispositivo 5 𝑚 $ 14.99027 8 𝑚 $ 9.369

Colector solar de placa

plana Suministro de energía 1 𝑚2 $ 125.36028 1 𝑚2 $ 125.360

Costo Total Materia Prima [COP] $1.045.525

Costo Total Materia Prima [USD] 327 USD29


25 Precio tomado de la web: https://spanish.alibaba.com 26 Precio tomado de la web: https://instrumentalia.com.co 27 Precio tomado de la web: https://www.easy.com.co 28 Precio tomado de la web: https://www.ebay.com 29 Tasa de cambio de 3.200 COP/ 1 USD


140

En la Tabla 36 resumen las características de precio, el volumen de cámara frigorífica y

temperaturas de trabajo de los dispositivos descritos en la sección 3.4, calculando el valor

correspondiente del indicador 𝑈. Se exceptúa del análisis la máquina de hielo ISAAC, debido a que

actualmente no tiene valor de comercialización (solo existen limitadas instalaciones en Kenia). Cabe

recordar que los dispositivos SolarChill, SunDanzer y Dulas utilizan tecnología por compresión,

mientras que el dispositivo Solaref utiliza tecnología por adsorción.

Tabla 34. Valor del indicador 𝑈 para diferentes dispositivos similares al prototipo del proyecto

Referencia Precio Volumen de la cámara frigorífica

Temperatura ambiente máxima

Temperatura mínima de

refrigeración

Valor del indicador 𝑼

SunDanzer 1.549 USD 368 litros 32 °C 2 °C 0,140

Solaref 3.700 USD 200 litros 43 °C 0 °C 0,430

Dispositivo del proyecto

1.308 USD 64 litros 29 °C -18 °C 0,435

SunDanzer 699 USD 50 litros 32°C 2 °C 0,466

Solaref 2.600 USD 70 litros 43 °C 0 °C 0,864

SolarChill 1.500 USD 50 litros 32 °C 2 °C 1,000

Dulas 1.999 USD 37,5 litros 43 °C 2 °C 1,300

SunDanzer 3.599 USD 55 litros 43 °C 2 °C 1,596

Fuente: Elaboración propia según referencias en la sección 3.4

En la Tabla 36 se observa que la referencia con el menor valor del indicador 𝑈 corresponde a un

dispositivo de la marca SunDanzer con un valor de 0,140. Esto indica que dicho dispositivo muestra

la mejor relación entre el precio, el volumen y las temperaturas de trabajo, lo cual se explicaría dado

que a su vez es el dispositivo con el mayor volumen de la cámara frigorífica dentro de las

referencias, mientras que su precio se aproxima al de otros dispositivos con volúmenes cercanos a

los 50 litros. Para el dispositivo diseñado en el proyecto se encuentra una aproximación del indicador

𝑈 frente a las referencias de Solarref y SunDanzer, lo cual indicaría que el precio estimado de 1.308

USD podría ser competitivo en comparación, con particularidades competitivas en cada caso;

mientras el dispositivo del proyecto tiene la ventaja de trabajar a muy bajas temperaturas, por su

parte el dispositivo Solaref con un indicador 𝑈 de 0,430 cuenta con un alto volumen a un precio

adecuado en relación con las demás referencias. Por otro lado, el dispositivo SunDanzer con un

valor 𝑈 de 0,466 contaría con la ventaja de tener un bajo precio.


141

4.12. Variaciones del diseño según departamento

La temperatura ambiente y la irradiancia de la zona en donde se ubique el refrigerador de absorción

modificaría algunos de sus parámetros. La Tabla 35 muestra las variaciones en el área del colector

solar y el COP por departamento en ZNI, siguiendo el modelo descrito el cual tomó como referencia

las condiciones del departamento del Chocó. En la Tabla 35 se organizan de menor a mayor cada

uno de los 18 departamentos de acuerdo con los resultados obtenidos en el área del colector

teniendo que La Guajira requiere la menor área siendo un 53,70% menor al área de referencia del

modelo, lo cual se explicaría al observar que este departamento tiene una de las mayores

temperaturas ambiente promedio, así como la mayor irradiancia. Por otro lado, el departamento con

el mayor requerimiento en el área del colector solar es Nariño, con una necesidad aproximada de

253% por encima del modelo base, lo cual se relaciona con el hecho de que este departamento tiene

la más baja temperatura ambiente promedio y una baja irradiancia lo cual dificulta la obtención de

calor para la generación de refrigerante.

Tabla 35. Variaciones aproximadas en el área del colector solar y el COP por departamento en ZNI con respecto al modelo desarrollado

Departamento

Temperatura

ambiente

media [°C]

Irradiación

promedio

[kWh/m2]

Área del

colector

solar [m2]

Variación del

área del

colector %

COP

Variación

del COP

%

La Guajira 28,3 5,25 0,4064 -53,01% 0,6101 -0,25%

Magdalena 28,5 5 0,4505 -47,92% 0,6099 -0,28%

Vichada 28,5 4,75 0,5067 -41,42% 0,6099 -0,28%

Casanare 26,4 4,75 0,5258 -39,21% 0,6118 0,03%

Bolívar 27,8 4,6 0,5552 -35,82% 0,6105 -0,18%

San Andrés 27,5 4,5 0,5913 -31,64% 0,6108 -0,13%

Antioquia 26,6 4,5 0,6032 -30,27% 0,6116 0,00%

Valle del Cauca 26 4,5 0,6114 -29,31% 0,6122 0,09%

Meta 25,6 4,5 0,6172 -28,65% 0,6125 0,15%

Guainía 26,5 4,4 0,6436 -25,59% 0,6117 0,01%

Guaviare 25,7 4,2 0,7574 -12,44% 0,6124 0,14%

Choco 26,6 4 0,8650 0,00% 0,6116 0,00%

Amazonas 25,9 3,75 1,1445 32,31% 0,6123 0,11%

Caquetá 25,8 3,75 1,1504 33,00% 0,6124 0,12%

Vaupés 24,7 3,75 1,2212 41,19% 0,6134 0,29%

Cauca 19,3 3,9 1,3954 61,33% 0,6189 1,20%

Putumayo 22,9 3,5 2,1117 144,14% 0,6152 0,58%

Nariño 12,9 3,9 2,6809 209,95% 0,6265 2,43%

Fuente: Elaboración propia. Temperaturas e irradiación tomadas de (IDEAM, 2019)


142

En la gráfica de la Figura 37 se observan las magnitudes aproximadas para el área requerida del

colector solar y el COP correspondiente para cada departamento en ZNI según la información de la

Tabla 35, donde se evidencia poca variación en el COP pese a la variación en las condiciones

geográficas de cada zona, teniendo una máxima variación frente al modelo de diseño de +2,43%

correspondiente al departamento de Nariño, al cual a su vez corresponde el mayor requerimiento en

el área del colector solar con un resultado de aproximadamente 2,68 𝑚2. Esto indicaría que un

dispositivo diseñado para funcionar en las condiciones de todos los departamentos debería tener un

colector con un área de mínimo 2,68 𝑚2, sin embargo, se estaría considerando una capacidad

excesiva para la gran mayoría de departamentos puesto que para el 89% de los departamentos se

estima un requerimiento de menos de 1,5 𝑚2.

Figura 37. Magnitudes aproximadas en el área del colector solar y el COP, por departamento en ZNI


El requerimiento en el espesor de la cámara frigorífica y el tamaño del tanque, según las condiciones

de temperatura ambiente e irradiancia de cada departamento en ZNI (ver Tabla 35) se muestran en

la Tabla 36, donde el máximo espesor requerido corresponde a los departamentos del Magdalena y

Vichada equivalente a 15,703 cm, un aumento del 4,69% frente al modelo desarrollado. Para estos

departamentos a su vez corresponden las mayores temperaturas ambiente según se observa en la


143

Tabla 35, mientras que en el caso de la menor temperatura ambiente correspondiente al

departamento de Nariño se calcula el menor requerimiento del espesor equivalente a un -33,66%

con respecto al modelo desarrollado; esto indica que tal como se esperaría, la temperatura ambiente

tiene una influencia directa con el espesor requerido en la medida en que aumenta o disminuye la

diferencia de temperatura con respecto a la carga interna del refrigerador modificando el gradiente

de calor a través de las paredes, lo cual se mitigaría con la modificación del espesor de la cámara.

Por otro lado, el volumen del tanque parece aumentar o disminuir en la medida en que aumenta o

disminuye respectivamente, la temperatura ambiente, lo cual se entiende al considerar que se

requiere una disminución menor de la temperatura en la medida en que la temperatura ambiente sea

menor lo cual generaría una menor necesidad de flujo de refrigerante disminuyendo el tamaño del

tanque.

Tabla 36. Variaciones aproximadas en espesor de la cámara frigorífica y el volumen del tanque por departamento en ZNI con respecto al modelo desarrollado

Departamento

Espesor de la

cámara frigorífica

[cm]

Variación del

espesor de la

cámara

frigorífica [%]

Volumen del tanque

[l]

Variación del

volumen del

tanque [%]

La Guajira 15,629 4,19% 29,829 2,22%

Magdalena 15,703 4,69% 29,905 2,48%

Vichada 15,703 4,69% 29,905 2,48%

Casanare 14,925 -0,50% 29,105 -0,26%

Bolívar 15,444 2,96% 29,638 1,57%

San Andrés 15,333 2,22% 29,524 1,18%

Antioquia 15,000 0,00% 29,181 0,00%

Valle del

Cauca 14,778 -1,48% 28,952 -0,78%

Meta 14,630 -2,47% 28,800 -1,31%

Guainía 14,963 -0,25% 29,143 -0,13%

Guaviare 14,667 -2,22% 28,838 -1,18%

Choco 15,000 0,00% 29,181 0,00%

Amazonas 14,741 -1,73% 28,914 -0,91%

Caquetá 14,705 -1,97% 28,875 -1,05%

Vaupés 14,298 -4,68% 28,456 -2,48%

Cauca 12,305 -17,97% 26,394 -9,55%

Putumayo 13,632 -9,12% 27,769 -4,84%

Nariño 9,951 -33,66% 23,945 -17,94%


La gráfica de la Figura 38 representa las magnitudes aproximadas en el espesor de la cámara

frigorífica y el volumen del tanque en los departamentos en ZNI según la información de la Tabla 36.


144

Se observa que ningún departamento tiene un requerimiento mayor a 30 litros en el volumen del

tanque de almacenamiento, lo cual indica que esta dimensión es suficiente para las condiciones de

cualquiera de los departamentos. Se tiene además que el espesor de la cámara frigorífica varía en la

misma dirección en la que lo hace el volumen del tanque, teniendo mayor favorabilidad en

condiciones de baja temperatura ambiente, tal como ocurre en el departamento de Nariño, ya que

disminuye el requerimiento en espesor y volumen del tanque lo que se traduce en una menor

inversión en materia prima disminuyendo el costo del dispositivo. Sin embargo, se debe tener

presente que tales condiciones, usualmente asociadas a una baja irradiancia, generan un mayor

requerimiento en el área del colector solar tal como se observa en la gráfica de la Figura 37, lo cual

aumentaría el costo.

Figura 38. Magnitudes aproximadas en el espesor de la cámara frigorífica y el volumen del tanque,

por departamento en ZNI


Particularmente, en el caso de Nariño (departamento con la menor temperatura ambiente) mientras

el espesor de la cámara disminuye en un 33,66% y el volumen del tanque disminuye en un 17,94%,

el área requerida del colector solar aumenta en un 209,95%; por su parte, en el departamento de La

Guajira (departamento con la mayor irradiancia y una de las mayores temperaturas ambiente) se


145

tiene un aumento del espesor de 4,19% y un aumento en el volumen del tanque de 2,22%, con una

disminución en el área del colector solar de aproximadamente 53,01%. Esto indicaría que, pese a

que una disminución de la temperatura ambiente disminuye la diferencia de temperatura de

refrigeración disminuyendo a su vez la energía requerida en el proceso, a su vez se generan las

condiciones para que aumente el trabajo requerido por el colector solar lo cual aumentaría el costo

general del dispositivo; por tanto, para el dispositivo de refrigeración solar resulta ideal un entorno de

trabajo de alta temperatura ambiente y, evidentemente, alta irradiancia.

146

Capítulo 5. Conclusiones

5.1. Conclusiones

Teniendo en cuenta el contexto de las ZNI se consultaron alternativas sobre tecnologías de

refrigeración con la capacidad de ser aplicadas en contextos sin acceso a una conexión eléctrica, a

partir de lo cual se observa que esta es una problemática que ocurre en diversos lugares del mundo

con características similares a las de las ZNI, lo cual incluye aquellos lugares que hayan sufrido

catástrofes naturales que impiden el suministro energético convencional. La complejidad en el

suministro de recursos que representan las condiciones geográficas de las ZNI y la distribución de

sus habitantes, alejados entre sí, genera actualmente un déficit en la cobertura de las necesidades

básicas de esta población, lo cual se acentúa al considerar la baja capacidad de pago y de recaudo

que desestimula las posibilidades de inversión en varios de los sectores económicos, en donde se

incluye el sector energético. Dentro de las diferentes consecuencias que esto genera en los ejes

social, económico y de salud, se encuentran las limitaciones técnicas que poseen los habitantes

para el almacenamiento de productos perecederos por periodos prolongados de tiempo a partir de la

refrigeración. Esto da origen a una persistencia de características asociadas a la pobreza ya que

aumenta la pérdida de alimentos disminuyendo la seguridad alimentaria, genera pérdidas

productivas especialmente en la agricultura y la pesca, y dificulta la prestación de servicios de salud

en relación con el almacenamiento de perecederos como vacunas y fármacos.

Se identificó que, aunque existen diferentes sistemas y ciclos de funcionamiento, los dispositivos de

enfriamiento pueden ser comparables a través de métricas o variables cuantitativas comunes, lo cual

es importante para aumentar la objetividad que se tiene al tomar la decisión de cuál sería la mejor

tecnología para implementar en las zonas objetivo. Emplear técnicas de ingeniería para el diseño de

productos y toma de decisiones, permite analizar cuáles son los parámetros que generan valor en la

solución de los requisitos de un público objetivo y además visualizar cuales son las diferencias

significativas entre varias alternativas de acuerdo con varios criterios de decisión.

Dando respuesta a la pregunta de investigación se tiene que la tecnología de refrigeración por

absorción muestra tener el mayor potencial de desarrollo y aplicación en las ZNI, cumpliendo mejor

con los requerimientos y condiciones de sus habitantes en comparación con otras tecnologías

existentes, lo cual se determinó empleando la información consultada a través de revisión

bibliográfica en un análisis comparativo utilizando la Casa de la Calidad y el Análisis Jerárquico de

Decisión. Este potencial se debe principalmente a características asociadas a la buena integración

Capítulo 5: Conclusiones

147

de la tecnología con fuentes no convencionales de energía renovable, siendo posible la utilización de

colectores solares (en lugar de paneles solares) dada su capacidad de aprovechamiento de la

energía térmica de manera directa; otros factores resaltables que aumentan su competitividad frente

a las demás es su bajo requerimiento de mantenimiento (debido a que requiere muy pocas partes

móviles) y su larga vida útil.

Resulta importante destacar también las principales cualidades y falencias de las demás tecnologías

con potencial de desarrollo en zonas fuera de la red. La tecnología por compresión por su parte

cuenta con una alta eficiencia (COP) y un amplio rango de configuración de temperaturas, sin

embargo, el hecho de que requiera de la utilización de un compresor genera un mayor grado de

mantenimiento, además de aumentar la complejidad en el desarrollo de diseños portátiles. La

tecnología por adsorción tiene la ventaja de aprovechar la energía térmica proveniente de la energía

solar de manera directa (al igual que la tecnología por absorción), sin embargo, ofrece baja

capacidad de enfriamiento debido a la falta de desarrollo de pares de trabajo con un buen

rendimiento. La tecnología termoeléctrica además de tener capacidad para emplearse en diseños de

uso portable cuenta con la ventaja de no requerir fluidos de trabajo, lo cual se traduce en menor

riesgo de impacto ambiental; sin embargo, posee un bajo coeficiente de rendimiento (COP) y no es

aplicable en diseños de grandes dimensiones. Por último, la tecnología Stirling ofrece la capacidad

de enfriamiento a muy bajas temperaturas, siendo muy útil en procesos de congelación, sin

embargo, tiene una baja vida útil y una alta complejidad técnica lo cual implica mayores costos. Se

debe tener en consideración que la puntuación obtenida en el Análisis Jerárquico de Decisión fue

muy cercana para las diferentes alternativas lo cual indica que cada una de las tecnologías tiene

cierto potencial por desarrollar y explorar en cuanto a su aplicación en zonas fuera de la red.

La difusión de los refrigeradores por absorción en las ZNI influye en el eje social al garantizar el uso

de un electrodoméstico importante asociado al aumento de la calidad de vida, con una de las

mayores demandas en los hogares, lo cual reduciría las Necesidades Básicas Insatisfechas (en

regiones con los más altos niveles de NBI en Colombia), al facilitar el acceso y conservación de

productos perecederos. Este acceso aumentaría la seguridad alimentaria en general al disminuir la

pérdida de productos en el último eslabón de la cadena de abastecimiento (las unidades familiares),

en el cual se desecha una importante proporción de la producción. En el eje económico se

disminuiría la pérdida de productos en los sectores de cultivo de alimentos y pesca principalmente,

siendo esta última una actividad muy importante entre los departamentos en ZNI. Por otro lado,

considerando que las condiciones de las ZNI favorecen la ineficiencia de los dispositivos de

refrigeración, promover dispositivos con un buen rendimiento favorecería los compromisos de

eficiencia energética en el país y disminuiría el costo en inversión en el largo plazo al aumentar la

vida útil de los dispositivos, así como el gasto en energía. Al emplear energías renovables se

reduciría el costo operativo, lo cual es importante al tener en cuentas que los refrigeradores son los

dispositivos que mayor consumo energético representan en una unidad familiar. Tener acceso a los

refrigeradores por absorción en las ZNI influiría el eje de salud reduciendo el riesgo de


148

enfermedades al favorecer una adecuada conservación de los alimentos en las unidades familiares,

mientras a su vez brinda la posibilidad de almacenar vacunas y otros fármacos que requieran de

temperaturas bajas para su conservación, lo cual actualmente es una limitante para la población.

Se lograron establecer parámetros para la elaboración de un dispositivo de refrigeración por

absorción intermitente de una fase tomando como base las características de temperatura ambiente

e irradiación del departamento del Choco, cuyos resultados fueron validados a partir de un análisis

de sensibilidad y una simulación en el programa Aspen Hysys. El análisis de sensibilidad indicó

mejoras en el Coeficiente de Rendimiento del dispositivo en la medida en que aumenta la carga de

enfriamiento pese a aumentar directamente el requerimiento en el área del colector solar. Así mismo,

el aumento del espesor de la cámara frigorífica también genera un aumento del COP, con una

consecuente disminución en el área del colector. El aumento de la temperatura ambiente, por su

parte, generó una disminución en el COP aun teniendo una disminución del área del colector solar,

así como del espesor. Por otro lado, la simulación del modelo permitió identificar con mayor

precisión el requerimiento de calor de generación de refrigerante 𝑄𝐺, así como la máxima caída de

presión requerida en la válvula de expansión entre el condensador y el evaporador del dispositivo.

También se encontró que la presión de trabajo en el tanque del dispositivo puede llegar a ser

considerablemente alta, por lo cual el diseño y el material de fabricación definitivos deben poder ser

acordes al soporte de una presión máxima bajo cierto factor de seguridad.

Los parámetros de diseño del modelo base del refrigerador por absorción se ajustaron a las

condiciones climáticas (temperatura ambiente e irradiación) de cada uno de los departamentos en

ZNI para determinar el dispositivo de solución más acorde. Dentro de las características de diseño

del dispositivo de refrigeración propuesto se observa que, variando los parámetros de entrada según

las condiciones de cada zona, no se genera demasiada diferencia en cuanto al tamaño requerido del

tanque de almacenamiento de la solución y la masa requerida del fluido secundario. Sin embargo, el

rango de área estimado para los colectores solares varía de 0,41 𝑚2 a 2,68 𝑚2, dadas las

condiciones climatológicas de cada departamento. Esto indica que no sería conveniente estandarizar

los parámetros del dispositivo de refrigeración por tecnología de absorción estableciendo un único

diseño, ya que podría incurrirse en costos innecesarios (mayor capacidad a la requerida) o en un

deficiente funcionamiento del dispositivo (menor capacidad a la requerida). En cada región o

departamento es posible y sería conveniente, ajustar los parámetros del dispositivo a las

características climatológicas del lugar. Se encontró que condiciones de alta temperatura ambiente

generan mayor beneficio en el diseño del dispositivo al facilitar la generación de energía (menor

requerimiento en el área del colector solar), lo cual supera relativamente las desventajas asociadas

al aumento del gradiente de temperatura y calor entre el exterior y la carga de enfriamiento,

relacionados con el espesor de la cámara y el requerimiento de refrigerante, los cuales resultan no

tener un aumento significativo.


149

La información contenida en el presente trabajo es útil como fundamento para proponer y justificar

proyectos a favor del mejoramiento de la calidad de vida de los habitantes de las ZNI por parte tanto

de las entidades gubernamentales encargadas de asegurar su desarrollo, como de las entidades

privadas interesadas en oportunidades de inversión en el sector energético y/o en el desarrollo de

dispositivos de refrigeración a partir de fuentes no convencionales de energía.

5.2. Recomendaciones

La población objetivo del dispositivo de refrigeración por absorción por lo general no acostumbra

conservar sus alimentos a través del proceso de refrigeración, por lo cual sería importante que en

un proyecto de implementación se incluya un mecanismo de capacitación para los usuarios que

tenga en cuenta conceptos importantes sobre la higiene y el almacenamiento de los productos

perecederos de mayor consumo en las diferentes regiones, de tal forma que los usuarios empleen el

dispositivo de la mejor forma, sin comprometer su vida útil y/o la calidad de los productos de

consumo, lo cual afectaría negativamente aspectos como por ejemplo, la salud de los usuarios. El

cuidado y el mantenimiento del dispositivo es otro aspecto importante para incluir dentro de una

adecuada capacitación previa, en tanto se relaciona directamente con la vida útil del dispositivo.

Posibles investigaciones futuras se pueden desarrollar alrededor de la optimización del diseño de

dispositivos de refrigeración por absorción con colector solar en las condiciones (sociales,

geográficas y/o climatológicas) de regiones específicas en el país, a favor de un aumento en el

rendimiento del dispositivo (mejoramiento del COP) y una disminución en el costo de fabricación. Así

mismo, esta investigación incluye bases iniciales para el cálculo de inversión en la implementación

de un proyecto de difusión de refrigeradores por absorción en las ZNI de Colombia. Por otro lado, los

resultados de la investigación son de utilidad también para investigaciones interesadas en el

mejoramiento de tecnologías de refrigeración particulares, al considerar sus principales ventajas y

desventajas aquí descritas, en relación con su demanda en contextos fuera de la red.

150

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165

Anexos

Anexo 1. Inversión en proyectos por parte del IPSE entre el

periodo 2014 - 2018

Tabla 37. Inversión en proyectos por parte de IPSE en el periodo 2014 - 2018.

AÑO INVERSIÓN EN PROYECTOS – IPSE (COP)

2014 26.531’400.000

2015 33.539’000.000

2016 43.128’400.000

2017 123.844’100.000

2018 10.600’000.000

TOTAL 237.642’900.000

Fuente: Seguimiento a Proyectos de Inversión: spi.dnp.gov.co

Anexo 2. Prestación de energía en localidades con y sin telemetría

Las ZNI con telemetría suman alrededor de 70 localidades, cada una de las cuales cuenta con algún

grado de prestación de energía. Como se observa en la Figura 39, 22 localidades (31%) tienen una

prestación de 24 horas al día, 20 localidades (28%) una prestación de 7 a 12 horas diarias, y 7

localidades (10%) una prestación de 1 a 6 horas al día.

Anexos

166

Figura 39. Número de localidades en ZNI con telemetría según horas de prestación de energía diaria

(CM: Cabecera municipal).

Fuente: Adaptado del CNM (2018)

Las ZNI sin telemetría suman cerca de 1.711 localidades, de las cuales no se tiene información en

alrededor de 643 (37%). La Tabla 38 muestra las horas de prestación de energía en las localidades

de las cuales se tiene información, donde el 83,15% cuenta con una prestación de entre 1 y 6 horas.

Cerca de un 4,49% no tiene ninguna hora de prestación de energía al día. Sin embargo, al analizar

la información por número de usuarios, tal como se observa en la Figura 39, alrededor de 42.205

usuarios de entre los 64.213 de los cuales se tiene información, cuenta con un servicio de energía

de alrededor de 24 horas diarias; los usuarios restantes (34,3%) tiene menos de 23 horas diarias de

prestación de energía al día.

Anexos

167

Tabla 38. Número de localidades de las ZNI sin telemetría de las cuales se tiene información, según la prestación del servicio de energía diario

HORAS DE PRESTACIÓN DEL

SERVICIO

NÚMERO DE

LOCALIDADES

PORCENTAJE DE

LOCALIDADES

0 48 4,49%

1 – 6 888 83,15%

7 – 12 87 8,15%

13 – 18 6 0.47%

19 – 23 7 0,75%

24 32 3%

Total 1.068 100%

Fuente: Elaboración propia según información del CNM (2018)

Figura 40. Prestación de energía diaria en ZNI sin telemetría (de las cuales se tiene información) según el

número de usuarios. (CM: Cabecera municipal)

Fuente: Adaptado de (CNM, 2018)

Anexos

168

Anexo 3. Inversión privada requerida en proyectos de expansión

La Tabla 39 resume la inversión privada que se requiere por parte de las empresas prestadoras de

energía para cubrir las necesidades energéticas de algunos de los departamentos con ZNI. En la

Tabla 39 se evidencia que, para cubrir la demanda, se requiere una inversión privada significativa

(un total de $371.041 millones COP)(UPME, 2013), lo cual puede no ser rentable ni estimulante para

el sector privado dadas las características de la población en ZNI (baja capacidad de recaudo, bajos

ingresos económicos, etc.).

Tabla 39. Inversión privada (Operadores de Red) para el cubrimiento de necesidades energéticas por departamento

Departamento Inversión OP vía tarifa actual (millones)

Antioquia $ 2.603

Bolívar $ 19.818

Caquetá $ 15.436

Casanare $ 45.050

Cauca $ 82.459

Chocó $ 18.312

Guaviare $ 5.273

La Guajira $ 12.767

Magdalena $ 4.543

Meta $ 13.945

Nariño $ 24.083

Putumayo $ 109.199

Valle $ 17.553

Total $ 371.041

Fuente: (UPME, 2013)

Anexos

169

Anexo 4. Proporción de municipios pertenecientes a las ZNI por

departamento.

Tabla 40. Proporción de municipios pertenecientes a las ZNI por departamento

DEPARTAMENTO TOTAL

MUNICIPIOS

MUNICIPIOS ZNI

% ZNI USUARIOS

ZNI

ARCHIPIÉLAGO DE SAN ANDRÉS, PROVIDENCIA Y SANTACATALINA

2 2 100% 21.854

AMAZONAS 11 11 100% 13.378

VICHADA 4 4 100% 9.497

GUAINÍA 9 9 100% 7.814

VAUPÉS 6 5 83% 4.386

CHOCÓ 30 23 77% 46.728

GUAVIARE 4 2 50% 1.509

PUTUMAYO 13 5 38% 6.944

CAQUETÁ 16 6 38% 4.140

META 29 5 17% 1.605

NARIÑO 64 11 17% 56.764

CASANARE 19 2 11% 331

CAUCA 42 3 7% 21.112

LA GUAJIRA 15 1 7% 390

MAGDALENA 30 1 3% 436

ANTIOQUIA 125 3 2% 4.551

VALLE DEL CAUCA 42 1 2% 7.057

BOLÍVAR 46 1 2% 585

Fuente: Adaptado de IPSE (2018) y (DANE, 2011)

170

Anexo 5. Proporción de necesidades básicas insatisfechas en los

departamentos con ZNI

Tabla 41. Proporción de NBI en los departamentos con ZNI

Dpto. Proporción

% Municipios

ZNI % Región

Choco 79,19 77 Pacífico

Vichada 66,95 100 Amazonas

La Guajira 65,23 7 Caribe

Guaina 60,62 100 Amazonas

Vaupés 54,77 83 Amazonas

Magdalena 47,68 3 Caribe

Cauca 46,62 7 Pacífico

Bolívar 46,60 2 Caribe

Amazonas 44,41 100 Amazonas

Nariño 43,79 17 Pacífico

Caquetá 41,72 38 Orinoquía

San Andrés 40,84 100 Insular

Guaviare 39,89 50 Amazonas

Putumayo 36,01 38 Amazonas

Casanare 35,55 11 Orinoquía

Meta 25,03 17 Orinoquía

Antioquia 22,96 2 Andina

Valle del Cauca

15,68 2

Pacífico

Fuente: Adaptado de (DANE, 2011),(DANE, 2011)

171

Anexo 6. Defunciones de menores de un año por cada mil nacidos

vivos en los departamentos de Colombia

Tabla 42. Defunciones de menores de un año por cada mil nacidos vivos en los departamentos de Colombia

Dpto. Defunciones

Amazonas 48,1

Vaupés 47,3

Guainía 41,1

Chocó 40,9

Vichada 40,5

Guaviare 36,7

La Guajira 32,8

Casanare 25,2

Arauca 24,3

Córdoba 24,0

Sucre 23,1

Meta 22,5

Nariño 22,0

Bolívar 21,0

Cauca 20,5

Caquetá 20,1

Cesar 19,2

Putumayo 18,7

Tolima 18,4

Magdalena 17,7

Huila 17,3

Atlántico 16,0

San Andrés 15,4

Boyacá 15,4

Antioquia 14,1

Cundinamarca 13,8

N. Santander 13,0

Risaralda 13,0

Santander 12,9

Caldas 12,3

Quindío 12,2

Bogotá, D. C. 11,6

Valle del Cauca 11,5

Fuente: Adaptado de (DANE, 2016)

172

Anexo 7. Distribución del uso del suelo en los departamentos

principales con ZNI

Tabla 43. Distribución del uso del suelo en los departamentos principales con ZNI

Departamento % Área agropecuaria % Área en bosque % Otros Total

Casanare 71% 18% 11% 100%

Meta 56% 41% 3% 100%

Antioquia 55% 39% 6% 100%

Valle Del Cauca 54% 40% 6% 100%

Vichada 51% 46% 2% 100%

Cauca 43% 53% 4% 100%

Nariño 37% 58% 5% 100%

Putumayo 26% 71% 3% 100%

Caquetá 20% 78% 2% 100%

Chocó 12% 83% 5% 100%

Guaviare 10% 89% 1% 100%

Guainía 8% 91% 1% 100%

Vaupés 2% 97% 1% 100%

Amazonas 1% 97% 1% 100%

Promedio 32% 64% 4% 100%

Fuente: Adaptado de (DANE, 2015)

Anexos

173

Tabla 44. Distribución del uso del suelo para actividad agropecuaria en los departamentos principales con ZNI

Departamento % Uso dominante

agrícola

% Uso dominante pecuario

% Uso dominante bosques

Total

Antioquia 53% 44% 3% 100%

Casanare 52% 47% 1% 100%

Valle Del Cauca 40% 24% 36% 100%

Cauca 38% 30% 32% 100%

Nariño 26% 16% 57% 100%

Meta 23% 43% 34% 100%

Caquetá 5% 14% 80% 100%

Putumayo 0% 0% 100% 100%

Chocó 0% 2% 97% 100%

Vichada 0% 35% 65% 100%

Vaupés 0% 0% 100% 100%

Guaviare 0% 0% 100% 100%

Amazonas 0% 0% 100% 100%

Guainía 0% 0% 100% 100%

Promedio 17% 18% 65% 100%

Fuente: Adaptado de(DANE, 2015)

Anexo 8. Gráficos de productos agrícolas cultivados por hectáreas

Figura 41. Hectáreas utilizadas para siembra de tubérculos

Fuente: Elaboración propia con base en(DANE, 2015)

Anexos

174

Figura 42. Hectáreas utilizadas para siembra de frutas. Fuente: Elaboración propia con base en(DANE, 2015)

Figura 43. Hectáreas utilizadas para siembra de cereales. Fuente: Elaboración propia con base en(DANE, 2015)

Anexos

175

Figura 44. Hectáreas utilizadas para siembra de flores, verduras, entre otras. Fuente: Elaboración propia con base en(DANE, 2015)

Anexos

176

Anexo 9. Mapa del estado de la información pesquera en Colombia

Figura 45. Mapa del estado de la información pesquera en Colombia. Fuente: Adaptado de (SEPEC, 2018)

Anexos

177

Anexo 10. Tasa de vacunación BCG y Pentavalente en los

departamentos con ZNI.

Tabla 45. Cobertura en vacunación BCG y pentavalente en los departamentos con ZNI.

Departamento

Tasa vacunación

antituberculosa BCG %

Tasa vacunación

Pentavalente %

Región

Amazonas 89,19 80,64 Amazónica

Antioquia 99,06 93,17 Andina

Bolívar 74,83 86,42 Caribe

Caquetá 89,63 79,17 Orinoquía

Casanare 89,06 89,93 Orinoquía

Cauca 82,46 94,95 Pacífico

Chocó 83,97 77,32 Pacífico

Guainía 131,69 93,28 Amazónica

Guaviare 97,15 93,49 Amazónica

La Guajira 94,2 86,2 Caribe

Magdalena 88,27 88,86 Caribe

Meta 90,09 84,63 Orinoquía

Nariño 92,84 92,07 Pacífico

Putumayo 87 92,27 Amazónica

Valle del Cauca 87,62 92,69 Pacífico

Vaupés 86,16 83,51 Amazónica

Vichada 83,31 60,35 Amazónica

Fuente: adaptado de(SISPRO, 2018)

178

Anexo 11. Mapa densidad energía eólica

Figura 46. Mapa de densidad eólica de Colombia. Fuente: Adaptado de (IDEAM, 2018c)

Anexos

179

Anexo 12. Mapa de irradiación solar

Figura 47. Mapa de irradiación solar de Colombia. Fuente: Adaptado de (IDEAM, 2018b)

180

Anexo 13. Mapa potencial energético utilizando biomasa

Figura 48. Mapa de potencial energético utilizando biomasa en el país. Fuente: Adaptado de (IDEAM, UPME, & COLCIENCIAS, 2011)

181

Anexo 14. Relación de consistencia de las matrices del análisis

jerárquico de decisión

Tabla 46. Resultados relación de consistencia análisis jerárquico


A B A B A B A B A B

1,667 9,161 1,827 5,104 1,419 5,058 0,986 5,054 2,682 5,312

1,667 9,161 1,827 5,104 1,419 5,058 0,986 5,054 1,355 5,239

1,667 9,161 0,781 5,045 0,541 5,030 0,370 5,022 0,642 5,041

0,277 9,024 0,324 5,014 0,255 5,008 2,370 5,125 0,275 5,047

0,638 9,081 0,324 5,014 1,419 5,058 0,370 5,022 0,275 5,047

0,277 9,024 Promedio 5,056 Promedio 5,042 Promedio 5,056 Promedio 5,137

0,638 9,081 IC 0,014 IC 0,011 IC 0,014 IC 0,034

0,638 9,081 IA 1,188 IA 1,188 IA 1,188 IA 1,188

1,667 9,161 RC 0,012 RC 0,009 RC 0,012 RC 0,029

Promedio 9,1038131

IC 0,013

IA 1,540

RC 0,008

Consistencia Matriz

Criterios de desición

Consistencia Matriz

Refrigeración de frutas y

verduras

Consistencia Matriz

Refrigeración de carnes

Consistencia Matriz

Refrigeración de vacunas

e insumos hospitalarios

Consistencia Matriz Bajo

consumo energético

A B A B A B A B A B

1,439 5,393 0,869 5,072 1,791 5,177 0,434 5,074 0,508 5,126

0,741 5,092 0,869 5,072 0,713 5,111 0,870 5,288 2,042 5,300

2,763 5,453 0,869 5,072 1,791 5,177 1,910 5,307 2,042 5,300

0,204 5,050 2,276 5,121 0,713 5,111 1,910 5,307 0,508 5,126

0,204 5,050 0,208 5,019 0,146 5,015 0,151 5,034 0,156 5,021

Promedio 5,208 Promedio 5,071 Promedio 5,118 Promedio 5,202 Promedio 5,175

IC 0,052 IC 0,018 IC 0,030 IC 0,050 IC 0,044

IA 1,188 IA 1,188 IA 1,188 IA 1,188 IA 1,188

RC 0,044 RC 0,015 RC 0,025 RC 0,042 RC 0,037


impacto ambiental


costo


requerimiento de

mantenimiento

Consistencia Matriz

Suministro energético

no convencional

Consistencia Matriz Alto

ciclo de vida

Anexos

182

Anexo 15. Propiedades del agua

Tabla 47. Propiedades del agua

Fuente: Tomado de (Moran & Shapiro, 2004)

Anexos

183

Anexo 16. Calor específico del agua

Tabla 48. Calor específico del agua entre 0°C y 100 °C

Fuente: Tomado de («VaxaSoftware page», 2018)

Anexos

184

Anexo 17. Calor específico de diferentes sustancias

Tabla 49. Calor específico de diferentes sustancias

Fuente: Tomado de (Perez, 2014)

Anexos

185

Anexo 18. Punto de fusión y ebullición para varias sustancias

Tabla 50. Punto de fusión (𝑃𝐹), calor latente de fusión (𝐿𝑓), punto de ebullición (𝑃𝐸) y calor

latente de vaporización (𝐿𝑣), para varias sustancias a 1 Atm.

Fuente: tomado de (Allen & Mosca, 2003)

Anexos

186

Anexo 19. Propiedades del refrigerante amoniaco

Tabla 51. Propiedades del refrigerante amoniaco

Fuente: Tomado de (Chiriboga & Collaguazo, 2018)

187

Anexo 20. Diagrama de presión vs temperatura en solución acuosa de amoniaco

Tabla 52. Diagrama de presión vs temperatura en solución acuosa de amoniaco

Fuente: Adaptado de (Thomas, 2007)

Evaluación de alternativas sobre dispositivos de...

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