Docente: Ing. Roberto R. Burtnik - Dto. de Ing. Electromecánica. UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES - FACULTAD DE INGENIERIA INSTALACIONES FRIGORIFICAS ‘CALCULO DE CARGAS DE ENFRIAMIENTO Y CONGELACION’ Docente: Ing. Roberto R. Burtnik - Dto. de Ing. Electromecánica.

ESTIMACIÓN DE CARGAS DE REFRIGERACIÓN 1ª Etapa: Relevamiento Características operativas (congelación, enfriamiento, movimiento de cargas, tiempos, etc.); Características de los productos (Productos vivos o productos muertos propiedades físicas, envases, cantidades, etc.); Características edilicias (distribución de áreas, volúmenes necesarios, tipo de construcción). Características climáticas predominantes 2ª Etapa: Evaluación de cargas térmicas. Las fuentes principales de calor son: Transmisión a través de las estructuras; Efecto solar. Infiltración de aire exterior; Fuentes internas; Enfriamiento del producto;

CARACTERÍSTICAS OPERATIVAS ENFRIAMIENTO – REFRIGERACION - CONGELACIÓN ENFRIAMIENTO - PREREFRIGERACIÓN: DE HORAS HASTA UN PAR DE DÍAS. REDUCCION RAPIDA DE TEMPERATURA CUARTOS DE ENFRIAMIENTOS, TUNELES DE ENFRIAMIENTO CON CORRIENTE DE AIRE MUY FRIO, AGUA, AGUA PULVERIZADA CON AIRE. REFRIGERACION POR CORTO PERIODO: 1 A 3 DIAS. TEMPERATURAS DESDE -1 A 4 °C. ALMACENES MINORISTAS. REFRIGECACION POR LARGO PERIODO: 3 a 30 DIAS. ALMACENES MAYORISTAS. ALMACENAMIENTO CONGELADO. 1 A 24 MESES. POR LO GENERAL TEMPERATURAS POR DEBAJO DE LOS -12 °C. Ventajas del Enfriamiento: Retarda la Maduración y procesos respiratorios. Reduce la carga térmica en la etapas subsiguientes de transporte y/o almacenamiento. Permite tratamiento fungicida ó bactericida. UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES - FACULTAD DE INGENIERIA

CARACTERÍSTICAS DE LOS PRODUCTOS CONDISIONES DE ALMACENAMIENTO EN FUNCION DEL TIPO DE PRODUCTO Y DEL PERIODO DE ALMACENAMIENTO HABRA: TEMPERATURA OPTIMA HUMEDAD VELOCIDAD DEL AIRE DENTRO DEL RECINTO TODOS ESTOS PARAMETROS SE ENCUENTRAN TABULADOS EN FUNCIÓN DEL PRODUCTO Y EL TIPO DE ALMACENAMIENTO QUE NECEITEMOS. UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES - FACULTAD DE INGENIERIA

ESTIMACIÓN DE LA CARGA DE REFRIGERACION: CALOR TRANSFERIDO POR CONDUCCIÓN y CONVECCIÓN A TRAVEZ DE PAREDES Y TECHOS. Qp y QT. CALOR POR RADIACION SOLAR. QR. AIRE QUE SE RENUEVA E INFILTRA. QA. PRODUCTO A REFRIGERAR. QPTO. RESPIRACION DEL PRODUCTO VIVO. QRESP. EQUIPOS EXISTENTES (Luces y Motores). QEQ ENVASES. QENV. PERSONAS. QPERS. QI = QTOTAL = QEXT Kcal24hr ¿CON QUE OBJETIVO? Para diseñar adecuadamente los componentes del sistema UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES - FACULTAD DE INGENIERIA

ESTIMACIÓN DE CARGAS DE REFRIGERACIÓN Es común que la evaluación de cada una de las cargas consideradas se hagan con base de 24 hs. De este modo, luego de contabilizadas, se puede aplicar un factor de utilización que contemple las paradas del equipo en el día. P.ej.: es usual que para tener la carga horaria, el total calculado se divida por 18 horas en lugar de 24. Esto da equipos de mayor potencia, pero permite margen para paradas de descarche en los evaporadores o mantenimiento. Se debe tener en cuenta que este procedimiento de cálculo es inexacto y que se usan muchas aproximaciones. El uso de factores de seguridad y de tablas de estimación rápida, debe hacerse con mucho criterio a fin de no sobredimensionar instalaciones.

TRANSMISIÓN A TRAVÉS DE LAS PAREDES, TECHOS Y PISOS PAREDES Y TECHOS: Paneles aislantes, autoportantes. Planchas de espuma de PE expandido, o de espuma de PU, entre dos láminas de metal galvanizado y pintado. Dimensiones: ancho 1,22m, largo hasta 12m, espesores desde 100mm. PISOS: Losa de hormigón sobre placas aislantes, barrera de vapor y contrapiso. En cámaras de congelación el Subsuelo puede requerir calefacción.

TRANSMISIÓN A TRAVÉS DE LAS PAREDES TECHOS Y PISOS HOMOGENEOS Está directamente vinculado a las características aislantes de los materiales constructivos del cuarto, al salto térmico y a las dimensiones del espacio refrigerado. El mecanismo que gobierna la transferencia de calor es el de conducción: Q = A (K/e)(t1 – t2) Q= calor transferido (kcal/h) ó Wattios; A = Área de transferencia (m2); e = Espesor de la pared (m); k = Conductividad (Kcal.m/hr. m2.°C. ) ó (W.m/m2.°K); t 1 y t2 = Temperatura de las caras de la pared en °C ó °K. UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES - FACULTAD DE INGENIERIA

CONDUCTIVIDAD TERMICA DE ALGUNOS MATERIALES AISLANTES TÍPICOS W.m/m2.K Btu.in/hr.ft2.ºF Espuma de vidrio 0.050 0.35 Fibra de vidrio 0.036 0.25 Espuma de poliuretano 0.023 0.16 Poliestireno expandido 0.035 0.24 UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES - FACULTAD DE INGENIERIA

TRANSMISIÓN A TRAVÉS DE LAS PAREDES TECHOS Y PISOS NO HOMOGENEOS Para determinados materiales de construcción resulta más conveniente emplear valores de Conductancia (C), con unidades W/m2.°K. ó Kcal/hr. m2.°K. Cuándo se trata de materiales no homogéneos, p.ej.: ladrillos huecos. La ecuación queda: Q = C.A. (t1 – t2) NO OBSTANTE: C = k/x para materiales homogéneos. UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES - FACULTAD DE INGENIERIA

CONDUCTANCIA TERMICA DE ALGUNOS MATERIALES W/m2.K Btu/hr.ft2.ºF Bloque hormigón 20 cm 3.30 0.58 Ladrillo hueco 3.75 0.66 Hormigón (10 cm) 17.75 3.13 Ladrillo común (7,5 cm) 17.21 3.03 UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES - FACULTAD DE INGENIERIA

TRANSMISIÓN A TRAVÉS DE LAS PAREDES TECHOS Y PISOS CON CONVECCION Las ecuaciones anteriores se aplican cuando se tienen las temperaturas de pared, pero en realidad en la práctica lo que se dispone son las temperaturas del aire. En este caso se debe considerar el efecto convectivo mediante el coeficiente de convección hc (W/m2.K), que es el que gobierna la transferencia en la interface. El coeficiente de convección depende de la velocidad de aire sobre la superficie , de su posición, forma, y rugosidad. UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES - FACULTAD DE INGENIERIA

COEFICIENTES DE CONVECCIÓN TIPICOS SOBRE ALGUNAS SUPERFICIES. W/m2.K Btu/hr.ft2.ºF 6.7 m/s, invierno 34.00 6.00 3.4 m/s, verano 23.00 4.00 Aire quieto:   Sup. Vertical 8.30 1.46 Sup horizontal, calor asc. 9.30 1.36 Sup horizontal, calor des. 6.10 1.08 UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES - FACULTAD DE INGENIERIA

TRANSMISIÓN A TRAVÉS DE LAS PAREDES TECHOS Y PISOS COMPUESTOS Dónde: QP = Cantidad de Calor que se transfiere en Kcal/hr A = Área de pared externa m2 U = Coeficiente total ó global de transmisión de calor T= TExt – Tint.= Diferencial de temperatura del aire ambiente exterior y del ambiente interior del cuarto refrigerado según producto. (Tablas). Ojo con los conceptos de conductividad (K) y conductancia (C = K/e) térmica. 1/C se usaría cuando se dispone de materiales no homogéneos. UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES - FACULTAD DE INGENIERIA

EFECTO DE LA RADIACION SOLAR: La radiación solar debe ser tenida en cuenta por el efecto de elevación de temperatura, especialmente en techos y paredes expuestas a la insolación. Se debe relevar la orientación y el entorno de los espacios refrigerados a efectos de evaluar la incidencia solar. Existen tablas (ASHRAE; Fundamentals) con datos de incidencia solar para distintas latitudes.

EFECTO DE LA RADIACION SOLAR Para cálculos aproximados se pueden tomar incrementos de temperatura promedio obtenidos de tabla de corrección, (ASHRAE ) donde se tiene en cuenta: Color y tipo de superficie afectada. Orientación de las paredes. Latitud Terrestre. UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES - FACULTAD DE INGENIERIA

INFILTRACIÓN DE AIRE Aporte de calor a los espacios refrigerados a través de puertas que se abren para el movimiento de cargas y personas. Se genera una circulación de aire frío del espacio refrigerado, que tiende a salir por la parte inferior de la abertura, y es reemplazado por aire exterior. Esto genera cambios de aire que son función del tiempo de apertura de puertas a lo largo del día. Se computan como cambios de aire cada 24 hs. El aporte de calor está dado por el cambio de entalpía entre el aire exterior y el interior.

CARGA TERMICA POR INFILTRACION DE AIRE UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES - FACULTAD DE INGENIERIA

CARGA TERMICA POR INFILTRACION DE AIRE El volumen de aire infiltrado puede calcularse mediante la fórmula: Q= CinA H1/2[(i – o) i]1/2[(2/(1+(i/o)1/3)]3/2 Q= caudal volumétrico, m3/s Cin = coef. de infiltración, (m/s)1/2 A = área de puerta, m2 H = altura de puerta, m i , o = densidades aire interior y exterior, kg/m3

CARGA TERMICA POR INFILTRACION DE AIRE Cuando el cambio de aire se produce por infiltración y/o puertas que se abren la experiencia a demostrado que la cantidad de cambio de aire depende de el volumen interno del recinto y tipo de aplicación, por lo que: En este caso Vi es el volumen del recinto y f es el FACTOR DE CAMBIO de aire por 24 hs. UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES - FACULTAD DE INGENIERIA

INFILTRACION DE AIRE VOLUMEN DE CUARTO EN PIE3 UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES - FACULTAD DE INGENIERIA

INFILTRACION DE AIRE VOLUMEN DE CUARTO EN PIE3 UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES - FACULTAD DE INGENIERIA

CARGA POR ENFRIAMIENTO DE PRODUCTOS Suele ser la carga más importante en aplicaciones industriales. En aplicaciones de enfriamiento, congelación y mantenimiento de productos refrigerados, como muchas industrias de alimentos, puede significar mas del 90% del total (ej.: túnel de congelado). La evaluación comprende: cálculo de calores sensibles y latentes dependientes de las propiedades de los productos; cálculo de la transferencia entre el producto y el medio (normalmente aire).

UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES - FACULTAD DE INGENIERIA CARGA DEL PRODUCTO: POR ENCIMA DEL PUNTO DE CONGELACION Dónde: QP = Cantidad de Calor en Kcal mp = Masa de producto kgr. CP = Calor específico del producto, arriba del punto de congelación (Tablas). T = Cambio de temperatura del producto, (Tablas). UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES - FACULTAD DE INGENIERIA

CARGA POR ENFRIAMIENTO DE PRODUCTOS Para obtener una mayor capacidad del equipo en la etapa inicial de enfriamiento la carga del producto resulta: QP = Carga equivalente del producto para un período de 24 hrs. Kcal/24hrs. f = FACTOR DE RAPIDEZ y  = Tiempo de enfriamiento deseado. No de funcionamiento del equipo. La dificultad radica en asignar un tiempo para los procesos, lo que se resuelve en base a datos disponibles o a experimentación. UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES - FACULTAD DE INGENIERIA

CARGA DEL PRODUCTO POR DEBAJO DEL PUNTO DE CONGELACION SE CONSIDERA TRES ETAPAS: A) B) C) D) E) Dónde  es el Tiempo de congelación deseado. No de funcionamiento del equipo. UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES - FACULTAD DE INGENIERIA

CARGA POR RESPIRACION DEL PRODUCTO En el caso enfriamiento de frutas y hortalizas se debe considerar la carga aportada por la respiración en base a datos que están tabulados UNICAMENTE VALIDO PARA PRODUCTOS VIVOS SALE DE TABLAS EN Kcal/kgr.hr O2 + Carbohidratos → CO2 + QResp. UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES - FACULTAD DE INGENIERIA

CARGAS TÉRMICAS POR FUENTES INTERNAS MOTORES ELECTRICOS: La presencia de motores eléctricos se debe principalmente a los motores de los ventiladores de los evaporadores o forzadores. La potencia de los motores termina convirtiéndose en calor que será necesario retirar del espacio refrigerado.

Iluminación: En cámaras frigoríficas de almacenamiento la carga eléctrica de iluminación suele estar entre 10 y 20 W/m2. En espacios donde trabaja personal en forma permanente la potencia de iluminación sube bastante dependiendo del tipo de tareas. El aporte de las luces a la carga de refrigeración se evalúa tomando directamente el dato de la potencia instalada y multiplicando por el número de horas diarias de utilización. UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES - FACULTAD DE INGENIERIA

Personal: Las personas aportan calor al espacio refrigerado en función del grado de actividad y de la temperatura del ambiente. Cuanto mayor es el grado de actividad y menor es la temperatura, mayor es la liberación de calor. En cámaras de almacenamiento no es un aporte significativo, pero puede ser importante en salas de trabajo. Envases: Esta carga debe considerarse como parte de la carga del producto.

CARGA TOTAL FACTOR DE SEGURIDAD En realidad va de 1,05 a 1,10 CAPACIDAD DEL EQUIPO UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES - FACULTAD DE INGENIERIA

METODOS PARA CONTROLAR EL TIEMPO DE FUNCIONAMIENTO NATURAL: PARA TEMPERATURAS DE CUARTOS MAYORES A 1 ºC. tOp 16 hrs. ARTIFICIAL: PARA TEMPERATURAS DE CUARTOS MENORES A 1 ºC. tOp. 18 A 20 hrs. ELECTRICO CON AGUA CALIENTE (AGUA Y SALMUERA). GAS CALIENTE. UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES - FACULTAD DE INGENIERIA

TIEMPO DE FUNCIONAMIENTO DEL EQUIPO Capacidad del Equipo Requerido = Kcal/hr ¿DE QUE DEPENDE EL TIEMPO DE FUNCIONAMIENTO? AQUEL QUE SEA SUFICIENTE PARA DESCARCHAR AL EVAPORADOR. ES DECIR, QUE SE NECESITA UN CIERTO TIEMPO SOBRE EL CUAL SE ES NECESARIO DETENER EL EFECTO FRIGRIFICO SOBRE EL CUARTO. . LA ESCARCHA DE HIELO ACTUA COMO AISLANTE REDUCIENDO ASI EL RENDIMIENTO DEL EQUIPO. ¿COMO SE ENTIENDE ESTO? DIAGRAMA PSICROMETRICO. UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES - FACULTAD DE INGENIERIA

CAPACIDAD DEL EQUIPO SEGÚN tOp. CAPACIDAD BASICA. 100% CAPACIDAD 120 % MAYOR. CAPACIDAD 130 % MAYOR. CAPACIDAD 150 % MAYOR. UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES - FACULTAD DE INGENIERIA

BIBLIOGRAFIAS PRINCIPIOS DE LA REFRIGERACION: Roy J. Dossat. ING. DEL AMBITO TERMICO: James Threlkeld. MANUAL DEL AIRE ACONDICIONADO: Carrier. REFRIGERACION INDUSTRIAL: Jean G. Gonan. AIRE ACONDISIONADO Y REFRIGERACION: Lewis. UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES - FACULTAD DE INGENIERIA

SUERTE Y MUCHAS GRACIAS!!! UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES - FACULTAD DE INGENIERIA