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República Bolivariana de VenezuelaMinisterio de Educación Superior
Universidad Fermín ToroCabudare- Edo Lara
Departamento de Ingeniería Mecánica
Integrantes: Cristian Escalona
C.I: 17.100.986Profesor:
Ing. Daniel D.Aula: Saia AAsignatura:
Refrigeración y A/A
Cabudare Enero del 2016.Cargas terminas para un cuarto de refrigerado o cava cuarto
Cuarto de refrigeradoO
Cava cuarto
Cámaras frigoríficas o cuartos fríos: Los cuartos fríos son lugares
destinados para el almacenamiento y manipulación de productos frescos y
no elaborados. También son lugares en los que se pueden recibir
mercancías.
Los cuartos fríos son con frecuencia usados en carnicerías,
restaurantes, comedores industriales, fruterías, en el manejo de flores, en
laboratorios, etc. Además, con el uso de estos cuartos se puede congelar o
refrigerar cualquier tipo de producto.
Los vegetales son en su gran mayoría perecederos. Después de la
cosecha sigue un proceso llamado comúnmente respiración durante el cual
los azúcares se combinan con el oxígeno del aire produciendo anhídrido
carbónico y agua y despidiendo calor, hasta llegar a la completa maduración
del fruto. Al mismo tiempo, los microorganismos que están presentes en los
frutos a temperatura ambiente, se alimentan y reproducen a un ritmo
exponencial, a medida que se acerca la maduración, destruyendo los tejidos.
Se ha comprobado que si se mantiene el producto cosechado a
temperatura menor que la del ambiente, se consigue alargar el período de
maduración un tiempo que varía desde 3-4 días hasta 6-8 meses, de
acuerdo a la especie y a la variedad.
La carne de animales (vaca, porcinos, peces, aves) después de
sacrificados no siguen ningún proceso natural salvo el ataque de
microorganismos que, a temperatura ambiente, atacan los tejidos. La carne
deja de ser comestible en 2-3 días. También en este caso, manteniendo las
carnes a bajas temperaturas, el proceso de deterioro se puede evitar y así
consumir la carne varios meses después del sacrificio.
La importancia que tiene la conservación de alimentos es
precisamente la posibilidad de ofrecer los frutos y las carnes durante un
período más largo.
Tipos de cuarto fríos
Tipos Temperatur
a
Usos
Conservación
frutas
5ºC - 5ºC Frutas, hortalizas, flores, productos
lácteos, alcohol, chocolate, arroz, vino,
huevos frescos, carne fresca y así
sucesivamente
conservación
pescado
-10ºC - 20ºC El pescado congelado, carne
congelada, pollo congelado, huevos
congelados y así sucesivamente
Almacenamiento
productos
-20ºC - 35ºC Pescado fresco y congelar los productos
de arroz, los helados, productos
sanguíneos, materias primas químicas y
así como de almacenamiento a baja
temperatura
Congelación frío 10ºC - 60ºC La electrónica, la metalurgia, la bio-
farmacéutica, química, las industrias de
la construcción de automóviles
materiales, como el aeroespacial ultra
prueba industrial y frigorífico de baja
temperatura de tratamiento en frío
Funcionamiento de cuartos frío
Las aplicaciones básicas de cuartos fríos:
Cuarto frio de mantenimiento (Cámara): El producto entra congelado o no,
solo se mantendrá la temperatura y la humedad
Cuarto frio de congelamiento (Pre-cámara): El produce se introduce a la
temperatura ambiente exterior y se lleva hasta el punto de control
(Temperatura y humedad de conservación).
En sistemas pequeños el uso básico es el de mantenimiento, aun
cuando en estos casos es posibles congelar pequeñas cantidades del
producto, dentro de esta categoría están los cuartos fríos de 1600 pies3.
Carga de refrigeración en cuarto fríos
Las cargas de refrigeración para un cuarto frio son según (Goribar, 2007):
1. La transmisión de calor a través de barreras o sea, paredes techos y
pisos.
2. La ganancia de calor debida al efecto solar
3. La ganancia por infiltración
4. La ganancia de calor debida a ocupantes
5. La ganancia de calor debida a equipo, alumbrado, o cualquier otro tipo
de equipo que genere calor
6. La ganancia de calor debida a aire de ventilación
7. La ganancia de calor debida a los productos a refrigerar
8. La ganancia de calor debida a la respiración de algunos productos
9. La ganancia de calor debida abatimiento del producto
10. La ganancia debida a materiales de envoltura o envases
1. Carga por transmisión de calor por paredes
La ganancia de calor por transmisión determina la cantidad de flujo de calor a
través de los muros, piso y techo. Esta ganancia de calor es directamente
proporcional al DT (Te - Ti). Existen tablas que proporcionan información de
U para simplificar los cálculos, estas se dan en base a DT:
DT= Te - Ti
QT = A x U x (Te - Ti)
QT = A x U24 (Usada para DT sin K)
Donde:
QT= Carga de calor en [BTU/24h]
U = Coeficiente de transmisión de calor [BTU/h pie2 0F]. Tabla
U24 = Coeficiente de transmisión de calor en [BTU/24h pie2]. Tabla
K = Incremento de calor en [0F]. Tabla
Te = Temperatura exterior [0F]
Ti = Temperatura interior [0F]
2. Ganancia de calor debida al efecto solar
La ganancia de calor por efecto solar se calcula mediante la fórmula:
DT= Te - Ti + K
QT = A x U24 (USADA para DT con K)
Donde:
QS= Carga de calor en [BTU/h]
U = Coeficiente de transmisión de calor en [BTU/h pie2 0F]. Tabla
U24 = Coeficiente de transmisión de calor en [BTU/24h pie2]. Tabla
K = Incremento de calor en [0F]. Tabla
Te = Temperatura exterior en [0F]
Ti = Temperatura interior en [0F]
3. Ganancia de calor por infiltración
Los cuartos fríos por lo general no tienen ventanas y las puertas están
selladas, por lo que la infiltración que se calcula es por las aperturas de las
puertas: La ganancia de calor por infiltración
QI = M x (he - hi)
M = V0 /ntotal
V0 = V x Cambio de aire/24 h
h = Cp x T + Wd x hv x f
ntotal = naire seco + (naire saturado - naire seco) x f
Donde:
QI= Carga de calor en [BTU/24h]
M = Flujo de peso [lb/h].
V0 = Flujo de caudal de aire [pies3/24h].
ntotal = Volumen específico total del aire [pies3/lb]
Cambio de aire = Cambios promedios de aire en 24 horas. Tabla para
cuartos por encima y por debajo de 32 0F
he = Entalpia exterior en [BTU/lb]
hi = Entalpia interior en [BTU/lb]
CP = Calor especifico del aire=0.24 [BTU/lb 0F]
T = Temperatura [0F]
Wd = Peso especifico del vapor de agua saturado [lb vapor/lb aire]
hv = Entalpia del vapor de agua [BTU/lb]. Tabla
f = Humedad relativa [%]
naire seco = Volumen específico del aire seco [pies3/lb]. Tabla
naire saturado = Volumen específico del aire saturado [pies3/lb]. Tabla
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 cuarto frio
· Vestíbulos o antecámaras refrigeradas
· Cortinas de aire
· Cortinas de plástico en tiras (hawaianas)
4. Ganancia de calor debida a las personas
La ganancia de calor producida por los ocupantes del cuarto frio dependerá
de la actividad que desarrollen dentro del espacio. La ganancia se calcula
como sensible y como latente. Existen tablas y graficas que dan el calor
sensible y latente.
QPES = np x qs x 24
QPEL = np x qL x 24
Donde:
QPES = Carga de calor sensible por persona en [BTU/24h]
QPEL = Carga de calor sensible por persona en [BTU/24h]
np = Número de personas
qs = Calor sensible en [BTU/h]. Tabla
qL = Calor latente en [BTU/h]. Tabla
5. Ganancia de calor debida al equipo misceláneo
Las ganancias de calor producida por los equipos que se encuentran dentro
del cuarto frio. Este calor es liberado mayormente por los ventiladores del
evaporador así también como de las resistencias para el descarche de la
unidad evaporadora
QMS= ne x qs x 24
QML= ne x qL x 24
Para el caso de alumbrado
QA= 3.42 x Watts x FB x 24
Para cualquier equipo que se conozca la potencia
QE= 3.42 x Watts x 24
Donde:
QMS = Carga de calor por equipos eléctricos misceláneos en [BTU/24h]
QA = Carga de calor por alumbrado en [BTU/24h]
QE = Carga de calor por equipos eléctricos en [BTU/24h]
Np = Numero de equipos
qs = Calor sensible en [BTU/h]. Tabla
qL = Calor latente en [BTU/h]. Tabla
Watts = Potencia del alumbrado [watts]
FB = Factor de balastra. FB = 1.0 para lámparas incandescentes. FB = 1.25
para lámparas fluorescentes
6. Ganancia de calor debida al aire de ventilación
La ganancia de calor producida por ventilación busca en los cuartos fríos
controlar la humedad del aire para la preservación y evitar malos olores. La
ganancia se calcula como sensible y como latente. Existen tablas
QVS = 1.08 x CFMa/V x (Te - Ti) x 24
QVL = 4880 x CFMa/V x (We - Wi) x24
Donde:
QVS = Carga de calor sensible por ventilación en [BTU/24h]
QVL = Carga de calor latente por ventilación en [BTU/24h]
CFMa/V = Caudal de aire de ventilación en [pies3/min]
Te = Temperatura exterior en [0F]
Ti = Temperatura interior en [0F]
We = Humedad absoluta del aire del exterior [lb vapor/lb aire]
Wi = Humedad absoluta del aire del interior [lb vapor/lb aire]
7. Ganancia de calor debida a los productos por refrigerar
La ganancia de calor a la conservación de los alimentos se ha dividido
según el caso en:
· Calor sensible arriba de punto de congelación
· Calor latente de congelación
· Calor sensible por debajo de punto de congelación
Calor específico: Es la cantidad de calor que debe de ser removido de una
libra de producto para reducir su temperatura 1°F, se le llama calor
específico.
Calor Latente: La cantidad de calor que debe eliminarse a una libra de
producto para congelarlo, se le llama calor latente de fusión
Calor sensible arriba de punto de congelación
Cuando un producto entra a un cuarto frio con una temperatura mayor
que la del propio espacio, el producto cede calor hasta que se enfría a la
temperatura del cuarto. Cuando esta temperatura esta encima del punto de
congelación el calor cedido Q1 se llama calor sensible arriba del punto de
congelación y se calcula de la siguiente manera:
Q1p = W x C1 x (Te - Ti)
Donde:
Q1p = Calor cedido en [BTU/24h]
C1 = Calor especifico del producto arriba del punto de congelación en
[BTU/lb0F]. Tabla
W = Peso del producto en [lb/24h]
Te = Temperatura exterior [0F]
Ti = Temperatura interior [0F]
Calor latente de congelación (SOLO SE APLICA POR DEBAJO DE 32 0F)
Si el producto se congela, este cederá su calor latente mientras cambia de
estado a la temperatura de congelación.
Q2p = W x he
Donde:
Q2p = Calor latente de congelación cedido al espacio [BTU/24h]
W = Peso del producto en [lb/24h]
he = Calor latente de congelación del producto en [BTU/lb]
Calor sensible por debajo del punto de congelación
Cuando se requiere refrigerar el producto por debajo del punto de
congelación, la carga de calor se calcula:
Q3p = W x C2 x (Tc – T3)
Donde:
Q3p = Calor cedido en [BTU/24h]
C2 = Calor especifico del producto abajo del punto de congelación en
[BTU/lb0F]. Tabla
W = Peso del producto en [lb/24h]
Tc = Temperatura de congelación [0F]
T3 = Temperatura final [0F ]
8. Ganancia de calor debida al calor por respiración de algunos
productos.
Los vegetales y las frutas se encuentran vivas después de ser cortadas y
continúan sufriendo cambios metabólicos. El cambio más importante se debe
a la respiración, proceso en el cual el oxigeno se combina con los
carbohidratos resultando bióxido de carbono y calor. El calor que se obtiene
se llama calor de respiración
QR = W x R x24
Donde:
QR = Calor por respiración [BTU/24h]
W = Peso del producto en [lb]
R = Calor por respiración [BTU/lb h].Tabla
9. Ganancia de calor al ABATIMIENTO del producto
Cuando la carga del producto es calculada con un tiempo de
abatimiento diferente a 24 horas, se usa factor de corrección:
Factor de corrección a la ganancia del producto: [24 horas / Horas de
abatimiento]
Según BOHN, mientras que 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. (Esto es el tipo de empaque, posición de la carga, método de
almacenamiento, etc.)
10. Ganancia de calor debida a las envolturas o envases
Cuando el producto está contenido en botellas, cajas, envolturas, etc., el
calor cedido por estos debe considerarse en el cálculo de la carga total.
QE = W x Ce x (T2 – T1) x24
Cuando no se conoce el peso, se calcula QE como un 5% de Q del producto
Donde:
QT = Carga de calor en [BTU/h]
W = Peso de las envolturas [lb/h]. Tabla
Ce = Calor especifico del material en [BTU/lb 0F].
T1 = Temperatura de entrada [0F]
T2 = Temperatura de salida [0F]
Factor de Seguridad
Una vez calculada la ganancia total se le agrega un factor de
seguridad del 10% para con ello corregir cualquier error, omisión o
inexactitud, es seguridad adicional o reserva disponible.
Carga Térmica por hora por efecto del descongelamiento
La temperatura del evaporador es muchas veces más baja que la del
punto de congelación por lo que el vapor de agua se condensa en los
serpentines, formándose hielo, el cual evidentemente afecta la eficiencia del
sistema. Este proceso de descongelamiento se lleva a cabo por varias
maneras:
Descongelamiento por interrupción del ciclo. Este método consiste en
apagar el sistema, el cual toma bastante tiempo.
Descongelamiento por agua. Este método consiste en la interrupción
del sistema y se hace circular agua por el serpentín hasta que se descongele
Descongelamiento automático. En este caso se calientan los tubos del
evaporador por medios externos.
La carga térmica por hora sirve como guía en la selección del equipo
Se calcula dividiendo la carga térmica final en BTU/24 hrs por el tiempo de
funcionamiento deseado de la unidad condensadora y según BOHN es:
Cámaras sin reloj a 35 °F: 16 hrs
Cámaras con reloj a 35 °F: 18 hrs
Túnel de enfriamiento/congelación con deshielo positivo: 18 hrs
Conservador de congelados: 20 hrs
Refrigeradores de 25°F a 34°F con deshielo eléctrico ó por gas caliente: 20-
22 hrs
Cámaras a 50°F y temperaturas mayores, con temperatura del serpentín por
arriba de 32°F: 20-22 hrs
Carga total de refrigeración en cuarto fríos
QTOTAL= QTRANSMISION + QINFILTRACION + QPERSONAS +
QEQUIPOS + QALUMBRADO + QVENTILACION +QPRODUCTOS +
QRESPIRACION + QENVOLTURA
QGRAN TOTAL = QTOTAL + 10% x QTOTAL
Factor de seguridad = 10%
EJEMPLO:
Los diferentes tipos de frutos, tienen diferentes requerimientos de frío.
Por ejemplo, las fresas, manzanas y el brócoli requieren temperaturas
cercanas al punto de congelación, mientras que la calabaza o el tomate
puede verse gravemente afectado por temperaturas bajas. (Ver Tabla 1)
Tabla 1. Algunos productos que soportan daño por frío.
Sensibles al fríoAbajo de 40-45ºF
Sensibles a congelamientoAbajo de 32ºF
Fríjol (Todos los tipos) Manzanas
Berenjenas Espárragos
Okra Duraznos
Papas Maíz tierno
Melones Fresas
Tomates
Sandía
Si se almacenan o enfrían volúmenes pequeños de producto (con
diferentes requerimientos de frío), la temperatura que debemos manejar será
la mayor que no cause daño por frío al fruto más susceptible. Esta
temperatura, cualquiera que ésta sea, no provee la temperatura óptima de
almacenamiento para los otros tipos de frutos. Algunos frutos y vegetales
producen un gas natural conocido como etileno, y ayuda al producto a
acelerar su madurez. Otros, no lo producen, pero son bastante sensibles a
él. (Ver tabla 2). Para productos sensibles, cantidades mínimas de gas
etileno pueden acelerar el proceso de maduración incluso a bajas
temperaturas, por lo cual será muy importante no almacenar frutos que sean
sensibles a este gas, junto a otros que lo produzcan.
Tabla 2.2 Frutas y verduras que producen etileno o que son sensibles a él.
Productores de etileno
Sensibles al etileno
Manzanas Zanahorias
Melones Pepino
Duraznos Flores cortadas
Peras Habichuelas
Ciruelas Okra
Tomates Calabazas
Berenjenas
Sandías
Brócoli
Coles
Además de la sensibilidad al etileno, algunos productos generan
olores que son rápidamente absorbidos por los otros frutos, como sucede
con las manzanas y las cebollas. La mayoría de los problemas de almacenar
productos mezclados pueden ser evitados, si se tienen presentes los
requerimientos de cada producto.
Tamaño de la unidad de refrigeraciónLa capacidad de enfriamiento y la de almacenamiento dependen del
tamaño de la estructura y de la capacidad del sistema de refrigeración, así
que es básico determinar la cantidad de producto que se desea enfriar y
almacenar. Un sistema de refrigeración puede semejarse a una bomba que
mueve calor de una parte a otra. La capacidad de enfriamiento es una
medida de la velocidad a la que un sistema puede transferir energía calórica
y es expresada normalmente en toneladas. Una tonelada de refrigeración es
la que puede transferir el calor necesario para disolver una tonelada de hielo
en un período de 24 horas (288.000 BTU). Dicho de otra manera, un sistema
de refrigeración de una tonelada es, teóricamente, capaz de congelar una
tonelada de agua en 24 horas, es decir que puede transferir 288.000 BTU in
24 horas o 12.000 BTU por hora.
El tamaño correcto de una unidad de refrigeración es determinada por
tres factores, el primero de los cuales es el volumen de producto a ser
enfriado y su empaque, ya que muchos productos son vendidos en cajas o
bolsas. Obviamente, a mayor cantidad de producto a enfriar, mayor será la
unidad de refrigeración.
El segundo factor es el tiempo mínimo requerido de enfriamiento
desde el comienzo al final del mismo, para prevenir la degradación rápida del
producto. El enfriamiento rápido debe evitarse, ya que puede ocasionar
daños en el fruto y se requerirán equipos de altos costos y consumos de
energía eléctrica. Enfriar una carga de producto en dos horas, en vez de
hacerlo en cuatro horas, puede requerir dos veces la capacidad de
refrigeración y el costo del consumo de energía puede ser tres veces el
inicial o más.
El tercer factor es la naturaleza del diseño constructivo de la unidad de
refrigeración, es decir su tamaño, el sistema de manejo del aire y su
operación. Ya que, en una instalación típica, aproximadamente la mitad de la
capacidad de refrigeración es usada para retirar el calor ganado por los
pisos, las paredes, el techo y las puertas, es importante saber manejar esta
tipo de “pérdidas” de frío.
