Pistas de Hielo Artificiales

A lo largo del tiempo, la industria de las pistas de hielo artificiales han presentado variantes interesantes en sus diseños. Por ello, es necesario tener presente algunos conceptos básicos para comprender cómo se construye estas superficies.

Por  Ing. Ingrid Viñamata Chávez

En el año 1876, Charles Dickens en una revista semanal, describió la primer pista de hielo, considerando tubería de cobre por donde a través de ella, circulaba una mezcla de glicol y agua. A simple vista parecería que desde ese entonces no ha evolucionado el concepto, sin embargo la tendencia al ahorro de energía y protección al ambiente hacen que se desarrollen otras alternativas empleando sistemas de refrigeración directa e indirecta.

Para comprender cómo se construye una pista de hielo, es necesario tener presentes algunos conceptos básicos, que se deben tomar en cuenta como son rangos de temperaturas, ubicación, tipo, tamaño, humedad, entre otros.

El hielo se define como la fase del agua en estado sólido. Sin embargo, algunas otras formas de sustancias como el dióxido de carbono, también se conocen como hielo. El hielo es incoloro, transparente y se cristaliza en el sistema hexagonal. Su punto de fusión es de 0°C; el agua pura también se solidifica a 0°C, pero el hielo sólo se formará a 0°C si el agua está turbia o contaminada sólidos disueltos.

Una propiedad importante del hielo es que se expande al solidificarse. Aquí identificamos otro concepto adicional, debido a que al expandirse, generará esfuerzos en el piso o base que lo contiene. A 0°C tiene una densidad relativa de 0.9168 comparada con la densidad 0.9998 g/cm₃ del agua a esa misma temperatura. Como resultado, el hielo flota en el agua.

Debido a que el agua se expande al solidificarse, un aumento de la presión tiende a transformar el hielo en agua, y por lo tanto desciende el punto de fusión del hielo. Este efecto no es muy marcado para los aumentos ordinarios de presión. Por ejemplo, a 100 veces la presión atmosférica normal, el punto de fusión del hielo es sólo 1°C menor que a una presión normal. A presiones más altas, sin embargo, se forman varias modificaciones alotrópicas o alótropos del hielo (diferentes formas de un elemento existentes en el mismo estado físico).

Este diagrama de fase representa la forma cristalina que adopta el hielo en función de la presión y temperatura.

Existen varios tipos de hielo:

El hielo ordinario es el Hielo I. Esos alótropos son más densos que el agua y sus puntos de fusión aumentan al incrementar la presión. A unas 6,000 atmósferas, el punto de fusión vuelve a ser de 0°C, y a una presión de 20,000 atmósferas, el punto de fusión se eleva por encima de los 80°C.

•   Hielo I (baja temperatura, cúbica de facetas centradas, densidad aprox. 0,9)

•   Hielo II (baja temperatura, ortorrómbica centrado, densidad aprox. 1,2)

•   Hielo III ó Iii (baja temperatura, tetragonal, densidad aprox. 1,1)

•   Hielo V (alta presión, baja temperatura, monoclínica de base centrada, densidad aprox. 1,2)

•   Hielo VI (alta presión, baja temperatura, tetragonal, densidad aprox. 1,3)

•   Hielo VII (alta temperatura, alta presión, cúbico sencilla, densidad aprox. 1,7)

•   Hielo VIII (alta presión, tetragonal centrada, densidad aprox. 1,6)

•   Hielo IX (alta presión, tetragonal, densidad aprox. 1,2)

•   Hielo XII (alta presión, baja temperatura, tetragonal, densidad aprox. 1,3).

La forma cristalina que adopta el hielo en función de la presión y la temperatura se puede representar en el siguiente diagrama de fase.

Estas propiedades de solidificación del agua explican la forma en que se congelan las masas de agua al aire libre. Cuando la temperatura de la superficie de una masa de agua al aire libre desciende hasta el punto de solidificación, el agua de la superficie se hace mucho más densa, y por lo tanto tenderá a hundirse, ésta se remplaza por agua más caliente que está debajo.

Figura 1. Formación de hielo en superficie terrestre

El hielo funciona como un aislante térmico a una temperatura promedio de -4ºC

Con el tiempo, toda la masa de agua alcanza una temperatura uniforme de 4.0°C, el punto en que el agua tiene su densidad máxima. Si el agua sigue enfriándose, su densidad disminuye, y acaba por formarse hielo en la superficie (ver Figura 1).

Debido a estas diferencias de densidad, la masa de agua se solidifica desde arriba hacia abajo. Dando origen a pistas de hielo naturales, que se forman en los lagos cuando hay temperaturas ambiente inferiores a -10°C., el hielo típicamente se mantendrá entre -4°C a -8°C.

Algunos otros factores que intervienen en el diseño de las pistas son la humedad, temperatura ambiente y temperatura del interior en pistas cerradas.

La humedad se define como el contenido o porcentaje de líquido o agua contenidas en el aire. La humedad Relativa φ se define como la razón de la presión parcial del vapor:

φ = ρv real a ° T/ pv de saturación a °T

A la relación de la humedad ω se le conoce también como humedad absoluta y es la masa de vapor por unidad de masa de gas seco:

ω = mv / mdg = ρv / ρdg

Algunas fuentes de ganancia de humedad en pistas permanentes y/o cerradas se presenta debido a infiltración, al abrir o cerrar puertas, accesos, domos, y por los espectadores. Esta humedad, a causa de la diferencia de temperaturas, puede producir condensación, que se observa como cuando se empaña un vidrio o domo, en ocasiones se forman pequeñas partículas de agua que podrían gotear y en algunos casos presentar estalagmitas en la superficie de la pista.

En ocasiones, el hielo en la superficie de la pista, actúa como un deshumidificador, aumentando la carga térmica del equipo de refrigeración, lo que se traduce en altos consumos de energía, para estas aplicaciones se recomienda el uso de secadores mecánicos, que podrían ser fijos o móviles (ver figura 2)

Figura 2. Sistemas de Humidificación para pistas de hielo Dectron Inc. 1993-DA2 Ice Rink
DA2 SERIES ICE RINK INSTALLATION
NOTE:1. Direct the air flow along the boards do not direct air over the ice surface.2. Discherge duct equipped with horizontally and vertically adjustable louvers supplied by others.3. DA2 units must be installed in pairs 4. Air inted must be a minimum of 4 feet from nearest obstruction. 5. Air discharge location must not be altered even when dry o tron units are located remotely and ductwork is used
View: Side elevationView: Top viewDrawing No: DA2 inst	Scale: Not to scaleScale: Not to scaleUS and Canadian Patents	Net weight:Date: Jan 07 1992Approved:	Model:DA2

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Cómo se diseña una pista de hielo

Antes de diseñar una pista, se deben considerar varios factores:

1.  Localizar la pista ya sea móvil o fija en lugares donde no se tenga que hacer una cimentación complicada.

2.  Preferentemente, deberá ser una superficie plana.

3.  Contar con agua potable y área suficiente para colocar el equipo de refrigeración.

4.  Si se trata de una pista móvil o para eventos temporales, se deberá cerciorar que la temperatura ambiente no sea muy alta o esté expuesta a luz solar directa, pues afectaría la superficie de la pista y por lo tanto requeriría mayor energía para mantener la superficie congelada.

5.  Deberán verificar que puedan tener la energía eléctrica para el sistema de refrigeración, iluminación, sonido y bombeo. O bien, rentar un sistema de generación adecuado para la carga demandada por el sistema de refrigeración.

6.  Definir el tamaño que tendrá, dependiendo del uso, una pista para jockey en Estados Unidos, debe medir 26 m x 61 metros.

Fundamentos de diseño

Este documento, se basa en algunas de las recomendaciones y normas publicadas por la American Society of Heating Refrigeration and Air Conditioning Engineers, Inc. (ASHRAE 1998).

Requerimientos de refrigeración

En instalaciones típicas se deberá colocar una base plana de concreto, con un aislamiento de vibración, que puede ser arena o grava, después se construye una especie de alberca con poca altura, donde se coloca un intercambiador, que puede ser de tubos de cobre con aislamiento, o de material plástico, con diámetro no mayor de 25mm, además de una capa de hielo no mayor de 40mm, en total sería de 65mm.

Existen 2 puntos clave cuando se calcula la refrigeración para una pista de hielo:

1.  Condición de congelamiento del agua en determinado tiempo.

2.  Calcular la cantidad de refrigeración necesaria para mantener la superficie de hielo y temperatura durante la condición más crítica de temperatura ambiente, espectadores y usuarios.

Consideraciones:

1.  Se calcula la carga térmica necesaria para fabricar el hielo, la cantidad de hielo requerido (superficie multiplicada por el espesor del hielo).

2.  Se reduce el agua desde una aplicación de 0°C para iniciar la transformación del agua en hielo.

3.  Se reduce el hielo, hasta la temperatura requerida y

4.  Manualmente, se calcula las pérdidas térmicas y pérdidas durante el congelamiento.

Para calcular la cantidad de refrigeración requerida de una pista de 1,500 m², con un espesor de 25 mm en 24 hrs. Asumiendo los materiales de acuerdo a lo siguiente:

Material	Calor específico	Temperatura ºC		Densidad de masa
	kJ/Kg ºK	Inicial	Final
150 mm de concreto	0.67	2	-6	2400 Kg/m3
Agua de suministro	4.18	11	0	1000 kg/m3
Hielo	2.04	0	-4	—————-
Etilen glicol al 35%	3.5	5	-9	14000 Kg

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El calor latente del agua helada es de 334 KJ

Cargas térmicas del edificio y bombeo equivale a 170 KW de refrigeración

Pérdidas del sistema 15%

Masa de agua = 1500m2 x 0.025m x 1000 kg/m3 = 37,000 Kg

Masa de concreto = 1500m2 x 0.15m x 2400 kg/m3 = 540,000 Kg

Entonces:

QR = (Pérdidas del sistema) (QF + QC + QSR + QHL)

De donde:

QR = Refrigeración requerida

QF = Agua refrigerada y congelada

QC = Carga de concreto a enfriar

QSR = Refrigeración del anticongelante (Glicol)

QHL = Carga generada por bombeo y edificio

QR = 37,500 kg ‹4.18(11-0) + 334 Kj/Kg + 2.04 (0 – (-4))›/(24 hr x 3600 s/h) = 168.5 Kw

QC = 540,000 x 0.67 (2-(-6))/(24 x 3,600)= 33.5 kW

QSR = 14,000 x 3.5(5 –(-9))/(24 x 3,600) = 7.9 kW

QR = 1.15(168.5 + 33.5 + 7.9 + 170) = 437 kW.

Figura 3. Planta de Enfriamiento Típica.

Una vez seleccionado el equipo de refrigeración, se selecciona y se diseña la planta de agua de refrigeración. (Ver figura 3)

El serpentín de enfriamiento y/o intercambiador, es seleccionado y calculado para la carga térmica requerida y para distribuir uniformemente la carga a lo largo de la pista, para así formar una superficie plana, uniforme y resistente.

El serpentín puede ser de materiales como policarbonato, con tubos de cobre y aislamiento plástico, etc.

El sistema de agua helada, puede ser por retorno inverso o por dos tuberías. Los tubos operan normalmente a presiones de trabajo de 280 a 350 KPa. El hielo en la parte superficial deberá mantenerse a -4°C constante.

Finalmente, para la construcción del piso, durante el cálculo, consideramos las pérdidas térmicas por el concreto. Sin embargo, hay cinco tipos de piso que podríamos encontrar en el diseño:

1.  Abierto, indicado para tubos metálicos o plásticos, el hielo se fabrica directamente sobre los tubos, ideal para pistas móviles.

2.  Permanente, donde los tubos van incrustados o dentro del concreto.

3.  Permanente con base de concreto y aislamiento, para disminuir ganancia térmica por suelo, además de tener los tubos por dentro del concreto.

4.  Permanente aislado, con una base de concreto armado con sólidos o composta, sistema aislante de vibración y ganancia térmica.

5.  Base aislada con precalentamiento. Este tipo de suelo se recomienda para pistas donde existe alta humedad, o la humedad y condensador podrían tener problemas, sobre todo después de operar por más de 6 meses.

Recomendaciones para ahorro de energía:

1.  Seleccionar el sistema de refrigeración adecuado para cada aplicación.

2.  Una vez producido el hielo, por ninguna razón se deberá derretir diariamente, preferentemente se debe mantener la superficie a -4°C constante.

3.  Instalar la pista en lugares perfectamente acondicionados, donde la radiación solar o ganancia por techo, vidrios, domo u otros, no generen alta carga térmica. (ver Fotografía 1)

Fotografía 1. Pista techada por alta ganancia solar de domo.

4.  Utilizar intercambiadores de líquido para fabricación de pistas de alta eficiencia energética, como pueden ser del tipo Calmac IceMat ®

Fotografía 2. Chillers en Pista de Hielo en el Zócalo de la Ciudad de México

5.  Utilizar enfriadores de líquido de alta eficiencia, que sean de fabricación confiables para aplicaciones en pistas de hielo. Además se recomienda utilizar sólo el porcentaje de glicol o anticongelante recomendado, que vaya de acuerdo con la temperatura de líquido deseado, para producción y mantenimiento del hielo (ver Fotografía 2 o bien sección Entorno en esta misma publicación).

6.  Colocar sistema de control y monitoreo de energía para la optimización y operación del equipo, eventos, calendarización y mantenimiento. Una recomendación puede ser el Tracer Summit Trane Energy Services.

7.  Utilizar un alumbrado de alta eficiencia, tipo frío, el cual se recomienda puede estar integrado al sistema de control con la finalidad de programar eventos y horarios fácilmente. Si se opta por este tipo de sistemas, se sugiere el Tracer Summit Lighting Integration.

8.  En auditorios, estadios, centros comerciales o de convenciones, y otros espacios cerrados, se deberá mantener la humedad y temperatura interior para evitar ganancia de calor sensible y latente en el hielo.

9.  También se recomienda colocar variadores de frecuencia en el bombeo para optimizar la operación a cargas parciales.

10. Para la formación de hielo, se deberá utilizar agua desmineralizada o agua con pocos minerales. Esto mejorará la calidad del hielo, así como su color, además disminuirá su capacidad aislante.

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Referencias y Bibliografía:

1.   ASHRAE Journal Supplement, “100 Years of refrigeration”, November 2004.

2.   ASHRAE HANDBOOK 1988, Refrigeration and systems applications.

3.   CALMAC, Ice Storage, Ice Rinks and Energy Storage Systems 2008.

4.   Royal Institute of Technology, Master program of sustainable Energy Engineering, Ice Rink Refrigeration System bases on CO₂.

5.   TRANE, System design for low temperatures applications, chillers for Ice storage applications and Ice Rinks applications. RTAA, RTAC, Centravac, RTHD, RTWD 2008.

6.   Dectron product catalog, Design and Humidification control 1993.

7.   Termodinámica – Fires – Unión Tipográfica, Editorial Hispano Americana, S.A. de C.V. 2006.

8.   Información electrónica: definiciones de Wikipedia.com.mx