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Unidad 1: continuación 8.‐ CÁLCULO DE LAS NECESIDADES TÉRMICAS DE UNA CÁMARA FRIGORÍFICA‐. Para seleccionar el equipo de refrigeración adecuado es preciso estimar o calcular la carga térmica a evacuar del espacio tratado. Al que se llamará cámara frigorífica. Las ganancias de calor que forman la carga térmica total pueden catalogarse en cuatro procedencias principales. a) Transmisión o transferencia a través de los paramentos exteriores. b) Calor asociado al aire, que entra en el espacio refrigerado. c) Ganancias del calor contenido en el producto refrigerado y almacenado. d) Carga correspondiente al calor desprendido por los trabajadores en el interior de la cámara. Alumbrado, motores eléctricos, desescarche, etc. La carga total en las condiciones de diseño es la suma de estos cuatro componentes. A) CÁLCULO DE LA CARGA POR TRANSMISIÓN La ganancia de calor a través de los muros, suelo y techo varía según los siguientes factores: tipo de aislamiento, espesor del mismo, clase de construcción, superficie de muros exteriores y diferencia de temperatura entre el espacio refrigerado y el aire ambiente. La fórmula a aplicar es la de la transmisión de calor a través de cerramientos. Qt = k . S . (Te – Ti) Siendo: Qt potencia calorífica perdida por las paredes Watios. k coeficiente de transmisión de los paneles aislantes. S la superficie total de paneles (paredes, techo, suelo) Te temperatura exterior máxima (ver tabla de provincias) Ti temperatura interior de la cámara. El coeficiente K debe tomarse según el espesor del panel adoptado de acuerdo con el RSFI para una transmisión máxima de 6 W/m2 si Ti < 0ºC, o 8W/m2 si Ti > 0ºC, tal como se ha visto en la UD.1 La temperatura exterior Te debe tomarse según el RSFI, la media diaria del día más caluroso, que podemos obtener del documento “Condiciones climáticas para proyectos”, de Ministerio de Industria para cada provincia. El dato es TS_0,4. Si la cámara está al sol, hay que incrementar Te en : Provincia Tem. Media TS_0,4 Temp máxima TSmax Castellón 32,6 37,4 Alicante 32,5 39,1 Valencia 33,6 40,5 Para el suelo se toma Tterreno = (Tamb + 15) / 2 O también Tterreno = 0,4 . Tmed + 0,6 . Tmax
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Ejemplo: Cámara de 3 x 3 x 2,5 m Ti= ‐20°C, situada en Alicante. Panel de poliuretano 100 mm. Calcular pérdidas por transmisión. Solución: Te = 32,5°C; K = 0,21 W m°C S = 4 x (3 x 2,5) + 2 x (3 x 3) = 48 m2 Q = 0,21 x 48 x (32,5 ‐ (‐20)) = 529 W B) RENOVACIÓN O CAMBIOS DE AIRE Cada vez que la puerta de la cámara es abierta, el aire exterior penetra en la zona refrigerada. La temperatura y humedad relativa de este aire cálido deben ser cambiar a las condiciones interiores de la cámara, con el subsiguiente incremento de la carga de refrigeración. Es difícil determinar ésta con cierto grado de exactitud, pues depende de la cantidad de veces que la puerta ha de abrirse. Podemos estimarlo en función del tamaño de la cámara: ‐ Primero debemos calcular el volumen interior de la cámara. ‐ Después obtenemos las renovaciones/día de la tabla siguiente: Renovaciones de aire de la cámara.
‐ para cámaras temperatura negativa; + para cámaras temperatura negativa La carga térmica se obtiene con: Qr = (He – Hi) .N . V /ve Siendo:Qr = calor perdido por renovaciones en kJ. N = renovaciones /día V = Volumen de la cámara en m3 ve = Volumen específico del aire en m3/kg He Hi = Entalpía del aire int/ext en Kcal/kg (en diagrama sicrométrico) Ejemplo: Cámara de 5 x 4 x 3 m = 60 m3. Para 60 m3, la media de renovaciones de aire es de 9 al día. Para Ti ‐20ºC hi=‐15 kJ/kg Para Te 31,5 70% he = 83 kJ/kg; ve = 0,88 m3/kg Q = (83 + 20) .9 . 60 /0,88 = 63.204 kJ/ día Para pasarlo a kW (con un tiempo de trabajo de los compresores de 16 horas) utilizamos la fórmula: 63204 / (3600 x 16) = 1’09 Kw.
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C) CARGA TÉRMICA DEL PRODUCTO Las fuentes primarias de descarga de refrigeración debidas al propio producto introducido y almacenado en el espacio interior de la cámara son: (1) extracción de calor requerido para llevar al producto a la temperatura del espacio refrigerado, y (2) la continua generación de calor por parte de los productos ya almacenados y refrigerados, principalmente frutas y verduras. La cantidad de producto que entra es un dato del usuario, pero si no se conoce se puede estimar en: ‐ Cámaras almacenamiento: 20 % del total ‐ Cámaras minoristas: 25 % del total ‐ Anexas a producción: 50 % del total Un producto almacenado en una cámara frigorífica entre a temperatura más alta que la del recinto, y por ello: – Primero perderá calor hasta que alcance la temperatura de congelación. ‐ Seguidamente se congelará, precisando el calor latente de congelación. ‐ Finalmente descenderá su temperatura hasta la temperatura de almacenamiento. La cantidad de calor a extraer precisa conocer su masa, su temperatura de congelación, el calor específico antes y después de la congelación, y el calor latente de congelación. (datos en tablas al final de la UD) Qp = m . Ce . ΔT Siendo: Qp = calor de enfriamiento del producto en kJ m = masa del producto en kg. Ce = calor específico kJ/kg ΔT= Temp. Entrada – temp. final Ejemplo: 100 kg de carne de pollo, que entra a 18°C, temperatura final ‐20°C Solución: Temp. Congelación ‐2,8°C, Ce1 = 3,30 kJ/kg Ce2=1,75 kJ/kg; Cl = 246 kJ/kg Para enfriar de 18° C hasta el punto de congelación, en cámara congeladora: 100 x 3,3 x [18 – (–2’8)] =6.864 KJ Para congelar: 100 x 246 =24.600 KJ Para enfriar de ‐2,8° C hasta la temperatura de almacenamiento: 100 x 1’75 x [(–2’8) – (–20 )] = 3.010 KJ Total: 6.864 + 24.600 + 2.010 = 51.564 KJ Para pasarlo a kW utilizamos la fórmula: 51.564 / (3600 x 16) = 0’89 Kw. El cálculo realizado en el ejemplo anterior no considera la ganancia de calor debida al enfriamiento de los contenedores o embalajes, que también entran en el espacio refrigerado. Cuando los palets, cajas u otro tipo cualquiera de materiales de protección o transporte representan una parte significativa de la masa total introducida, esta ganancia debe ser calculada.
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Calor de respiración: Las frutas frescas y hortalizas desprenden calor durante su almacenaje refrigerado. Al permanecer aún vivas, continúan experimentando cambios a lo largo de dicho período, el más importante de los cuales se produce por respiración, un proceso que combina el oxígeno del aire con el carbono del tejido de la planta. Durante este proceso se produce un desprendimiento de energía en forma de calor. Su cantidad varía según el tipo de producto y su temperatura; cuanto más frío está, menor es el calor de respiración. Qrs = Cre . m Siendo: Qrs = calor de respiración en kJ. Cre = coef. De respiración en kJ / Tm M = masa del producto Ejemplo: 1.000 kg de manzanas semi‐maduras. Miramos en las tablas: 120 – 3400 Kcal/Tm tomamos 2000 Kcal/Tm = 8.360 kJ. 8360 x 0,1 Tm = 836 kJ D) GANANCIAS DE CALOR DE FUENTES INTERNAS Toda energía eléctrica disipada en el interior del espacio refrigerado (alumbrado, motores eléctricos, calentadores, etcétera) debe ser incluida en la carga térmica. La suma de las potencia eléctricas en kW se añaden directamente a la carga térmica en kJ Qi1 ‐ Iluminación: Lámparas incandescentes de 60W, 100W, Lámparas fluorescentes de 36 W, 58W (multiplicar por 1,25) Qi1 = Pot‐ilum x horas Qi2 ‐ Ventiladores: Ver los ventiladores del evaporador, número y watios unidad. Qi2 = Pot‐vent x horas Qi3 ‐ Desescarches: En cámaras bajo cero debe considerarse un calor introducido en los procesos de desescarche. Si sabemos la potencia de las resistencias del evaporador, podemos considerar ocho desescarches al día, con un tiempo de 20 minutos cada uno. Qi3 = Pot‐resist x Nº desescarches x minutos deses x 60 Qi4 ‐ Apertura de puertas (servicio): según el uso puede considerarse: 10% de la pérdida por transmisión Qt ‐ Grandes cámaras: ‐ Detallistas 20% ‐ Bares, rest. Heladerias 30% Qi4 = Qt x coef/100 jK QI5 ‐ Personas trabajando: cada persona son 232 Kcal/h, o 300 W. Las personas desprenden calor en distintas proporciones, dependiendo de la temperatura, tipo de trabajo, vestido, corpulencia, etc. Cuando el ocupante penetre en la cámara por cortos espacios de tiempo, arrastrará consigo grandes cantidades de calor. Por ello, éstas deben aumentarse de forma cautelar si el tránsito de este tipo de carga es importante. Sólo se aplica a las personas que permanecen un tiempo en el interior de la cámara, so se plica a pequeñas cámaras, en las que ya se cuenta una carga por aperturas de puertas.
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Qi5 = nº personas . 300 W . tiempo en horas . 3600 /1000 kJ La carga interna Qi será la suma de las anteriores Qi = Qi1+Qi2+Qi3+Qi4+Qi5 en kJ Para pasar a carga horaria en kW aplicaremos la fórmula: P (kW) = Qi (kJ) / (3600 x 16) CARGA TOTAL DE LA CÁMARA. La suma de todos los componentes anteriores no dará la potencia total necesaria para mantener la cámara en las condiciones de diseño. Qcamara = Qt + Qr + Qp + Qrs + Qi en kW E) SELECCIÓN DEL EQUIPO El equipo de refrigeración está diseñado para trabajo continuo, sin efectos negativos; es el problema del desescarche el que determina el tiempo de funcionamiento del compresor. Cuando la temperatura del refrigerante es de 1° C o más alta, no existe necesidad del desescarche y la práctica general es seleccionar equipos para trabajar durante 20 a 22 horas diarias. Para temperaturas del refrigerante por debajo de 1° C y temperaturas de almacenamiento de 2° C o superiores, es práctica común utilizar una simple parada del compresor para desescarche. El aire relativamente cálido, al no pararse los ventiladores, será suficiente para producir el deshielo. Este sistema requiere que el compresor permanezca parado 1 hora por cada 2 horas de funcionamiento y los cálculos de carga se hacen para 16 horas de marcha diaria del compresor. Cualquiera de los sistemas de desescarche utilizados normalmente introduce calor al espacio refrigerado. Las cantidades de calor aportadas varían considerablemente según el método empleado. F) FACTOR DE SEGURIDAD Las cargas de refrigeración calculadas para una cámara dada pueden variar por una serie de necesidades reales como variaciones en la temperatura de ingreso del producto, mayor frecuencia de la prevista en la apertura de puertas, mezcla de productos, variación de los procedimientos de embalaje y/o almacenamiento, frecuencia de las entradas, etc. El factor de seguridad, como producto de la experiencia, ha demostrado que cubre estas variaciones imprevistas. Casi todos los cálculos incluyen un 10% como seguridad. Este factor puede o no estar justificado en un caso determinado, en el que puede ser excesivo o demasiado bajo.El técnico debe, en uso del sentido común, utilizar dicho factor en la horma que estime más adecuada para llevar a cabo el trabajo más eficaz posible. Es frecuente utilizar un factor de seguridad de 1,2 a 1,5 Qequipo = Qcámara x factor
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9.‐ CALCULO MEDIANTE PROGRAMAS INFORMÁTICOS. Los programas informáticos se utilizan para abreviar el proceso de cálculo, ya que suelen incorporar bases de datos con valores de conservación de los productos, aislamientos, etc. En este curso utilizaremos: PECOCAM programa de cálculo de cargas térmicas en cámaras frigorífica de Pecomark. CAMARAS.XLS hoja de cálculo de cámaras. Ejemplo: Calcular la carga total de una cámara para almacenar carne de buey. Datos: Temperatura de la cámara o proyecto = 1’7° C. Ambiente exterior: Temperatura media máxima anual 35° C Humedad relativa 60%. Dimensiones interiores de la cámara = Longitud 6 m. Altura 3 m. Ancho 3 m. Dimensiones exteriores: Longitud 6’1 m Altura 3’1 m Ancho 3’1 m. Aislamiento: Paredes y techo 102 mm de poliuretano, entre láminas metálicas. Suelo 152 mm de hormigón, sin aislamiento, temperatura del terreno 5’6° C. Carga eléctrica interior: 200 W. Carga del producto = 1000 Kg de magro de buey, entrando a temperatura de 6’7° C, para ser enfriado a las condiciones de la cámara en 24 horas. Calor específico antes de la congelación, 3’23 KJ/kg ∙ °C. Sistema de refrigeración que no debe trabajar más de 16 horas por día, para compensar las paradas por desescarche. Solución: La superficie exterior de la cámara es: (6’1 x 3’1) + (6’1 + 3’1) x 2 x 3’1 = 75’95 m2 Según la Tabla 1, para 102 mm de poliuretano: C = 0’23 W/m2 ∙ ° C. La ganancia por muros y techo es: 75’95 x 0’23 x (35 – 1’7) = 581’70 W (0’58 Kw.). Según la Tabla 1, para 152 mm de hormigón: C = 1’18 W/m2 ∙ °C. La ganancia por el suelo es: 6 x 3 x 1’18 x (15’6 – 1’7) = 295’24 W (0’30 Kw.) Ganancia de calor por renovación de aire. El volumen interior de la cámara es: 6 x 3 x 3 = 54 m3 Interpolando en la Tabla 4, para volumen de la cámara de 54 m3, la media de renovaciones de aire es de 12’4 en 24 horas. El calor extraído en el enfriamiento del aire de renovación hasta las condiciones interiores de la cámara es: 83’98 KJ/m3 La carga de aire de renovación es: 54. x 12’4 x 83’98 = 5233 KJ/24 horas Utilizando la fórmula: 56x233 / (3600 x 16) = 0’98 Kw. Carga eléctrica: Ya dada, como de: 200 W (0’2 Kw.). Subtotal: Muros, techos, suelo y carga eléctrica, es: 0’58 + 0’30 + 0’20 = 1’08 KW.
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Utilizando la fórmula, para trabajo de 16 horas por día: 1’08 x (24/16)= 1’62 KW. Carga del producto es: 1.000. x 3’23 x (6’7 – 1’7) = 16150 KJ Utilizando el sistema de refrigeración durante sólo 16 horas diarias, según la fórmula [8]: 16. x 150 / (3600 x 16) = 0’28 Kw. Total Ganancias de calor de paramentos y carga eléctrica: 1’62 Kw. Por renovación de aire: 0’98 Kw. Carga del producto: 0’28 Kw. 2’88 Kw. Más 10 % de factor de seguridad. 0’29 Kw. Capacidad total requerida en el sistema. 3’17 Kw.
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TABLAS PARA CÁCULO DE LA CARGA TERMICA. Temperaturas exteriores de cálculo.
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Temperaturas exteriores por provincias.
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