La selección correcta de un equipo depende mucho del correcto cálculo de la carga térmica del espacio por refrigerar; por ello, los especialistas deben conocerla previamente, basándose en distintas fórmulas.
Fernando Jamesson.
La carga térmica se define como la cantidad de calor que debe ser retirada del sitio por refrigerar para reducir o mantener la temperatura deseada. En un área por acondicionar, la carga térmica se debe eliminar mediante enfriamiento, el cual resulta de la suma de las cargas térmicas en las que están involucradas diferentes fuentes.
Por su parte, para mantener fría una cámara y todo lo que esté contenido en ella, es necesario extraer el calor inicial y, luego, el que pueda entrar en ella, aunque se encuentre bien aislada.
Según la American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers (ASHRAE), para el cálculo de la carga térmica en cámaras de almacenamiento de alimentos son considerados los siguientes factores:
- Transmisión de calor por la superficie
- Calor que el alimento debe perder para alcanzar la temperatura deseada
- Calor interno referente a personas
- Lámparas y equipamientos, infiltraciones de aire
- Calor de los moto-ventiladores y tiempo previsto de funcionamiento
- Coeficiente de seguridad
El requerimiento total de refrigeración (Q total) puede establecerse como:
Q total = Q producto + Q otras fuentes.
En la expresión anterior, los términos del segundo miembro tienen el significado que se presenta a continuación:
Q producto. Representa los sumandos necesarios que tiene en consideración la carga térmica por eliminar, procedente del calor sensible, del calor latente de solidificación, de las reacciones químicas del embalaje y del calor absorbido para la congelación del agua de los alimentos o productos que se desea refrigerar.
Q otras fuentes. Incluye, entre otros, los flujos de calor a través de los cerramientos de la cámara por transmisión de paredes, suelo y techo, la refrigeración para el aire exterior que se introduce, la ventilación, las cargas térmicas debidas a ventiladores, bombas, iluminación eléctrica, personas que manipulan los productos, etc.
Como el calor generado durante las 24 horas de un día se ha de extraer en un número de horas menor que las horas de funcionamiento diario, la potencia frigorífica de la maquinaria NR habrá de ser superior a la potencia Q total calculada para extraer durante las 24 horas.
Su valor será: NR= Q total/ t
Carga por transmisión
Los métodos para determinar la cantidad de flujo de calor a través de los muros, piso y techo están bien establecidos. Esta ganancia de calor es directamente proporcional al DT entre los dos lados del muro. El tipo y espesor del aislamiento usado en la construcción de la pared, el área exterior de la pared y el DT entre los dos lados del muro son los tres factores que establecen la carga a través de muros. Existen tablas que proporcionan información para simplificar los cálculos.
La pérdida de calor está sujeta a muchas variables predecibles con exactitud. Los factores mostrados en la tabla 1 de calor ganado a través de muros están basados en piso de concreto y el DT entre la temperatura del suelo y la temperatura de almacenamiento de la cámara.
En el caso de los congeladores, es posible que se necesite proveer calor en la base de la losa para evitar congelamiento del agua del terreno y levantamiento del piso. La temperatura mínima de la losa deberá ser por lo menos 40 °F; normalmente, 55 °F deberá ser usada para aplicaciones de congeladores.
Tabla 1. Cargas de transmisión de calor en paredes
Nota: Los factores K de aislamiento indicados (conductividad térmica, BTU por hora, ft2 y °F por pulgada de espesor) y factores de ganancia de calor para el corcho y ventanas de vidrio son extraídos y reimpresos con permiso de ASHRAE.
Valores de aislamiento:
Factor K: el valor de aislamiento de cualquier material es considerado por su conductividad térmica
Factor U: coeficiente global de transferencia de calor, BTU por hora/por ft2/°F
Factor R: Resistencia térmica
Factor X: Pulgadas de aislamiento
Carga del producto
Siempre que un producto tenga una temperatura más alta y sea colocado en una cámara de refrigeración o congelación, el producto perderá su calor hasta que alcance la temperatura de almacenamiento. Esta carga térmica consta de tres componentes:
a) Calor específico: cantidad de calor que debe ser removido de una libra de producto para reducir su temperatura 1 °F; se le llama calor específico. Éste tiene dos valores: uno aplicado cuando el producto está arriba del punto de congelación; el segundo es aplicable después de que el producto ha alcanzado su punto de congelación.
b) Calor latente: cantidad de calor que debe eliminársele a una libra de producto para congelarlo; se le llama calor latente de fusión. La mayoría de los productos tienen un punto de congelación en el rango de 26 a 31 °F, y si la temperatura exacta es desconocida, ésta puede considerarse de 28 °F. Existe una relación definida entre el calor latente de fusión del contenido de agua del producto, su calor específico y latente:
Calor específico arriba del punto de congelación= 0.20 + (0.008% agua)
Calor específico debajo del punto de congelación= 0.20 + (0.003% agua)
Calor latente= 143.3 x % agua.
c) Respiración: las frutas frescas y los vegetales están vivos. Incluso en el almacén refrigerado generan calor, el cual es llamado calor de respiración. Éstos son continuamente sometidos a cambios, en los que se libera energía en forma de calor, la cual varía con el tipo y temperatura del producto. Los valores son generalmente tabulados en BTU/l bs/24horas y son aplicados al peso total del producto que se almacena, no sólo lo retirado diariamente.
d) Tiempo de abatimiento: cuando la carga del producto es calculada con un tiempo de abatimiento diferente de 24 horas, un factor de corrección:
24 horas .
Tiempo de abatimiento
Nota. Aunque el abatimiento de temperatura del producto puede ser calculado, no debe otorgarse ninguna garantía en relación con la temperatura final del producto debido a los diversos factores incontrolables (tipo de empaque, posición de la carga, método de almacenamiento, etcétera).
Cargas misceláneas
Aun cuando la mayoría de la carga térmica en una cámara refrigerada o un congelador es causada por la pérdida a través de paredes, cambios de aire y producto enfriado o congelado, existen otras tres fuentes de calor que no deben ser descuidadas para la selección del equipo de refrigeración, puesto que el equipo tiene que mantener la temperatura bajo las condiciones de diseño. Estas cargas son generalmente promediadas en un periodo de 24 horas para suministrar la capacidad durante este lapso.
a) Luces: los requerimientos típicos son de 1 a 1/2 watt por ft2. Las cámaras de cortes o proceso pueden ser del doble de capacidad estimado. Cada watt es multiplicado por 3.42 BTU/W para obtener un BTU estimado. Este es entonces multiplicado por 24 para tener un porcentaje diario estimado.
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Motor HP |
BTU por (HP) (HR) |
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Relacionado con la carga dentro del espacio |
Pérdida del motor fuera del espacio refrigerado |
Relacionado con la carga exterior del espacio refrigerado |
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|
1/8 a 1/2 |
4,250 |
2,545 |
1,700 |
|
1/2 a 3 |
3,700 |
2,545 |
1,150 |
|
3 a 20 |
2,950 |
2,545 |
400 |
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Tabla 2. Calor equivalente de motores eléctricos |
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b) Motores: los motores más pequeños usualmente son menos eficientes y tienden a generar más calor por HP que los motores más grandes. Por ésta razón, la tabla 2 está dividida en grupos de HP (ver tabla 2).
1. Para uso cuando la carga y las pérdidas por motores son disipadas dentro del espacio refrigerado: motores que impulsan ventiladores para forzar la circulación de los evaporadores.
2. De aplicación cuando las pérdidas de los motores son disipadas fuera del espacio refrigerado y trabajo útil del motor empleado: bomba de circulación de salmuera o sistema de agua helada, motor ventilador en el exterior del espacio refrigerado que lo impulsa para la circulación del aire.
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Tipo de aplicación |
Número de cambios de aire recomendados |
|
|
Mínimo |
Máximo |
|
|
Conservación de congelación |
40 |
80 |
|
Conservación de refrigeración |
40 |
80 |
|
Cámara de corte |
20 |
30 |
|
Cámara de enfriamiento de carne |
80 |
120 |
|
Maduración de plátano |
120 |
200 |
|
Almacenamiento de frutas y verduras |
30 |
60 |
|
Túneles de congelación rápida |
150 |
300 |
|
Salas de procesos |
20 |
30 |
|
Almacenamiento de carne sin empacar |
30 |
60 |
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Tabla 3. Cambios de aire recomendados por hora |
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Carga por cambios de aire
Siempre que la puerta de una cámara de refrigeración está abierta, cierta cantidad de aire caliente del exterior entra en la cámara. Este aire deberá ser enfriado a la temperatura de la cámara refrigerada, resultando una considerable fuente de ganancia de calor. Esta carga es algunas veces llamada carga de infiltración. El número probable de cambios de aire por día y el calor que debe ser removido por cada pie cúbico de aire infiltrado se muestran en las tablas basadas en la experiencia (ver tablas 3, 4 y 5). Para uso pesado la infiltración puede ser del doble o más.
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Volumen ft3 |
Cambios de aire en 24 horas |
Volumen ft3 |
Cambios de aire en 24 horas |
Volumen ft3 |
Cambios de aire en 24 horas |
|
200 |
44.0 |
2,000 |
12.0 |
25,000 |
3.0 |
|
250 |
38.0 |
3,000 |
9.5 |
30,000 |
2.7 |
|
300 |
34.5 |
4,000 |
8.2 |
40,000 |
2.3 |
|
400 |
29.5 |
5,000 |
7.2 |
50,000 |
2.0 |
|
500 |
26.0 |
6,000 |
6.5 |
75,000 |
1.6 |
|
600 |
23.0 |
8,000 |
5.5 |
100,000 |
1.4 |
|
800 |
20.0 |
10,000 |
4.9 |
150,000 |
1.2 |
|
1,000 |
17.5 |
15,000 |
3.9 |
200,000 |
1.1 |
|
1,500 |
14.0 |
20,000 |
3.5 |
300,000 |
1.0 |
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Tabla 4. Cambios de aire promedio en 24 horas para cuartos de almacenamiento arriba de 32 °F (0 °C) debido a la apertura de puertas e infiltración |
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Como una alternativa para el cambio de aire promedio, el método es usar la carta psicrométrica. La siguiente fórmula puede ser usada para calcular la infiltración resultante de la ventilación natural (sin viento) a través de las aperturas de las puertas.
[(4.88.) √(altura de puerta) (área/2) (minuto de apertura) (√DT°F) (entalpía de aire entrante entalpía del aire del almacén)] [(1-X)] —————————————————————————————————————————————————————— Volumen específico del aire entrante
Donde x = porcentaje de calor de trasmisión bloqueado por la barrera térmica.
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Volumen ft3 |
Cambios de aire en 24 horas |
Volumen ft3 |
Cambios de aire en 24 horas |
Volumen ft3 |
Cambios de aire en 24 horas |
|
200 |
33.5 |
2,000 |
9.3 |
25,000 |
2.3 |
|
250 |
29.0 |
3,000 |
7.4 |
30,000 |
2.1 |
|
300 |
26.0 |
4,000 |
1.8 |
40,000 |
6.3 |
|
400 |
22.5 |
5,000 |
5.6 |
50,000 |
1.6 |
|
500 |
20.0 |
6,000 |
5.0 |
75,000 |
1.3 |
|
600 |
18.0 |
8,000 |
4.3 |
100,000 |
1.1 |
|
800 |
15.3 |
10,000 |
3.8 |
150,000 |
1.0 |
|
1,000 |
13.5 |
15,000 |
3.0 |
200,000 |
0.9 |
|
1,500 |
11.0 |
20,000 |
2.6 |
300,000 |
0.85 |
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Tabla 5. Cambios de aire promedio en 24 horas para cuartos de almacenamiento debajo de 32 °F (0 °C) debido a la apertura de puertas e infiltración |
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La carga térmica puede ser sustancial y cualquier medio debe considerarse para reducir la cantidad de infiltración que entra en la cámara. Algunos medios efectivos para reducir esta carga son:
- Cierre automático de las puertas del refrigerador
- Vestíbulos o antecámaras refrigeradas
- Cortinas de aire
- Cortinas de plástico en tiras (hawaianas)
Nota. Para uso pesado multiplicar los valores de arriba por 2.0. En caso de largos periodos de almacenamiento multiplicar por 6.0
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3 comentarios
hola mi consulta es la siguiente: la carga termica se define al producto y la sobrecarga termica es lo adicional como el calor que generan las personas, motores de los ventiladores y gruas, la iluminacion etc. gracias ojala tener respuesta
Excelente documento, muchas gracias.
Danfoss siempre con nuevas tecnologias gracias por la informacion,me gustaria saber mas sobre como calcular y diseñar camaras frigoricas para congelado y conservacion a nivel tecnico,garcias.