Mejoras en la distribución de frío

Entre los factores que influyen en la distribución de frío en el interior de los refrigeradores se encuentra el aire, que, de aprovecharse, otorgaría mayor eficiencia y un enfriamiento más homogéneo. En este sentido, son varios los aspectos por considerar

José Luiz Lemke / Imágenes: cortesía de Wellington

Hace ya mucho tiempo, el hombre controla el flujo de calor; y en este camino, continúa en la búsqueda de métodos que mejoren la eficiencia del proceso, físicamente y en términos de economía. En el caso de las máquinas térmicas, habrá que considerar al aire como un aliado para promover y efectuar un proceso eficiente, en el que existen términos y conceptos que permiten tener mayor certeza en el tema.

Tipos de intercambio de calor
Los métodos de transferencia de calor son conducción, convección y radiación. Siendo el proceso de convección en el que más se ahonda, con el objetivo de mejorarlo y realizar un intercambio térmico más eficiente al interior de un refrigerador.

Ahora bien, el aire es un medio para transferir calor desde el producto que es enfriado hasta el intercambiador o evaporador; además de que es un fluido eficaz, abundante, de bajo costo, químicamente estable y con pocos inconvenientes al estar en contacto con el producto.

Convección del aire
La convección es un método de transmisión de calor que ocurre en los fluidos en los que la transmisión del calor se da por el transporte de materia. Cuando el fluido se calienta, las moléculas se mueven más rápido y aumentan el volumen de la masa, pues se separan una de la otra por el mismo calor, lo cual reduce la densidad del fluido.

Dicho fenómeno pasa con el aire que se encuentra dentro de un refrigerador, donde el aire calentado por el producto, debido a su baja densidad, asciende en dirección al evaporador y al acercarse a él se enfría y desciende por la parte baja del refrigerador.

Éste es un proceso continuo mientras exista la diferencia de temperatura entre el producto, el aire y el intercambiador de calor, lo que genera corrientes de convección que mantienen la circulación de fluidos. Cuanto menor sea la diferencia de temperatura entre las partes del proceso, menor será la velocidad del aire.

En el análisis que retoma este artículo se simplifica el proceso, ya que no se toman en cuenta las entradas misceláneas de aire por aislamiento; es decir, aquellas que suceden por el uso de puertas y empaques.

Transferencia entre las partes
Si se considera que no existe convección natural del aire y que el calor fluye del producto al aire que se encuentra a su lado, el aire más cercano al producto será más caliente y el más lejano será más frío. Cuando el producto pierde energía en el aire, disminuye su temperatura; sin embargo, el aire que esté de su lado siempre estará en camadas de diferentes temperaturas.

En la figura 2 se muestra un ejemplo de cómo este proceso de intercambio en un refrigerador ocurre en camadas. Cuando el calor fluye del producto hacia el aire más cercano, se crea un proceso de transferencia de calor por conducción, con la diferencia de que la camada más caliente estará subiendo y será remplazada por otra de menor temperatura.

A fin de conseguir tal proceso de transferencia de calor por convección es necesario contar con un proceso en el que la temperatura disminuye lo más rápido posible, en el cual se logre remplazar la camada de aire en contacto con el producto a una velocidad mayor que aquella que se alcanza en la convección natural.

Convección forzada
Lograr resultados más eficientes en la disminución de temperatura de un producto en refrigeradores en menor tiempo implica mantener temperaturas homogéneas en ellos, para lo cual es factible emplear ventilación mecánica; de esta manera, se mejora la convección en el interior.

Si se considera la Ley de Newton para enfriamiento y transferencia de energía, se podrá decir que la convección forzada, en términos de tiempo, resulta más eficiente que la natural para bajar la temperatura de un producto refrigerado.

q=hA(Tp-Tf)

Donde:
q = tasa de intercambio de calor por convección
A = área externa del sólido que está en contacto con el fluido (aire)
Tp = temperatura externa de la pared del intercambiador (evaporador)
Tf = temperatura del fluido lejos del intercambiador
h= coeficiente de transmisión del calor del fluido (aire) por convección

Como se puede ver en la ecuación, la velocidad de transferencia de calor es mayor cuando la diferencia de temperatura también lo es, y crece al variar el coeficiente de transmisión de calor.

La diferencia de temperatura se puede trabajar ajustando la temperatura del fluido refrigerante en el circuito de refrigeración; asimismo, al coeficiente de transferencia de calor se le puede ajustar dicha diferencia, porque únicamente se debe cambiar el fluido en convección; sin embargo, es algo difícil.

La siguiente tabla muestra el coeficiente de transferencia de calor del aire en algunas condiciones para demostrar cómo esto varía de acuerdo con la velocidad del aire.

Los datos que arroja la tabla anterior pueden llevar a una mala interpretación respecto de que cuanto mayor sea la velocidad del aire, se afectará el proceso de transmisión del calor; a pesar de ello, el dimensionamiento del flujo de aire no es tan directo, por lo que hay que considerar todo el equilibrio del sistema de refrigeración.

Determinación del flujo de aire adecuado
El dimensionamiento del refrigerador comienza con la definición de carga térmica dentro de éste, que usualmente se traduce en cantidad de producto, temperatura en la que el producto entra al refrigerador, temperatura que requiere para que el producto sea enfriado, tiempo para llegar a la temperatura adecuada, entradas de calor por aislamiento y otras fuentes internas de calor; parámetros que ayudan en la elección del compresor, los elementos de expansión del fluido refrigerante y los intercambiadores (evaporador y condensador). Si se consideran las características anteriores, será posible definir el evaporador adecuado y, en conjunto, elegir un micromotor y una aspa.

Éstos deberán proveer un flujo de aire que garantice el intercambio de calor adecuado y lograr mover el aire frío hasta el producto.

Una herramienta que ayuda en esta determinación son los motores electrónicos de velocidades variables, pues se podrá probar el refrigerador con diferentes velocidades, lo que permitirá definir el flujo de aire óptimo, así, el intercambio del calor será mejor.

Por su lado, la gráfica 3 muestra la variación del flujo de aire con la variación de las velocidades del motor, en ésta se mantiene siempre la misma aspa de 200 milímetros a 28 grados centígrados.

Cuando varían las velocidades del micromotor, además de variar el flujo de aire, también cambia la presión estática en la región del evaporador. Para simplificar el análisis, se considera que la variación de la presión es mínima.

Dicha posibilidad de variación asiste en otro problema, que es tener un flujo que pueda dejar todo el producto con la mínima diferencia de temperatura en cualquier punto del refrigerador. En muchas ocasiones, hay problemas de variaciones de temperatura significativas, para solucionarlo, se suele trabajar con direccionamiento del aire con ductos o deflectores o con el acomodo de productos, hasta lograr la temperatura del producto según las especificaciones.

Influencia del diseño de la aspa
Algunas aspas pueden parecer similares debido al diámetro y al mismo ángulo, pero al probarlos en un túnel de viento, se percibe que los resultados son distintos, aspecto que genera diferentes flujos de aire con la misma presión estática.

Influyen en la variación de resultados: el diseño de las curvas de la aspa, su porosidad, resistencia del material, presión en el área de la aspa y presión que se transfiere al eje del micromotor.

Lamentablemente, no es común que la industria tenga una estructura en sus laboratorios donde se evalúen los componentes, pero si se conoce la influencia de las variaciones de cada componente, se podrá determinar la configuración adecuada para cada refrigerador.

La elección de una aspa, del motor y de las velocidades del trabajo con el objetivo de lograr un flujo de aire requiere considerar la presión estática del área del evaporador, ya que sí se percibirán diferentes presiones en las distintas aspas donde se aplique el examen.

Como se puede observar en la figura 5, las aspas con diámetros y ángulos iguales y mismo número de aspas pueden arrojar resultados distintos con variaciones excesivas del flujo de aire, como consecuencia, variará la transferencia de calor en los intercambiadores.

En resumen, para lograr una distribución ecuánime de las temperaturas de productos dentro de un refrigerador, es importante un buen diseño del flujo de aire, tanto en términos de velocidad, como de distribución.

Quien desarrolla un refrigerador tiene un cúmulo de posibilidades en la búsqueda de un proveedor de aspas que ofrezca soluciones tecnológicas para mover el aire, una de ellas radica en buscar un micromotor que, además de girar el aspa, ofrezca alternativas, como variar la velocidad en las distintas aplicaciones que existen.
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José Luiz Lemke Arins
Es ingeniero de Aplicación desde hace más de tres años en Wellington Drive Technologies, empresa de Nueva Zelanda dedicada a producir motores conmutados electrónicamente, controladores electrónicos y soluciones especiales para la industria de la refrigeración y la ventilación.