Cálculo de necesidades frigoríficas para una instalación industrial

por @amrandado · Publicada 16 noviembre, 2019 · Actualizado 10 diciembre, 2021

Conceptos Generales

La carga térmica de refrigeración es el calor que se debe extraer de la cámara, con el fin de que mantenga la temperatura de diseño en su interior. Este calor coincide con el calor que entra o que se genera dentro de la cámara frigorífica.

Son muchos los factores que intervienen, y es por este motivo que se distribuyen en apartados denominados “partidas”, cada una de estas partidas tiene en cuenta el calor introducido o generado por una causa concreta.

El cálculo de las necesidades frigoríficas de una cámara es una operación rutinaria y que resulta repetitiva, ya que siempre intervienen los mismos datos y partidas.

Para los cálculos de la carga térmica, se utilizan una serie de ecuaciones matemáticas simples, cada una relacionada a las diferentes partidas existentes. También es necesario el uso de tablas, con el fin de simplificar el cálculo y obtener resultados de manera casi directa.

Teniendo en cuenta que los evaporadores necesitan un tiempo para realizar el desescarche, con lo que la potencia de la máquina deberá ser siempre superior a las pérdidas calculadas, que dependerán de su tiempo de funcionamiento.

Para mantener el frío en una cámara y todo el material almacenado en su interior, es necesario extraer el calor inicial y después todo el calor que va entrando por diferentes motivos.

La extracción total de calor, Q, se puede expresar de la siguiente manera:

Q = Qotros + Qproducto

Qotros: incluye entre otros los flujos de calor a través de los cerramientos de la cámara por transmisión de paredes, suelos y techos, la refrigeración del aire exterior que entra, la ventilación, las cargas térmicas debidas a los ventiladores, bombas, iluminación eléctrica, personas que manipulan los productos, etc. Qotros = Qp1 + Qp2 + Qp3 + Qp4 + Qp5
Qproducto: representa las partidas que están relacionadas con la eliminación del calor sensible, del calor latente de solidificación, de las reacciones químicas, del embalaje y del calor absorbido por la congelación del agua de los alimentos o de los productos que se desean refrigerar. Qproducto = Qu1 + Qu2 + Qu3 + Qu4

Es habitual la práctica de aplicar un factor de seguridad aumentando Qtotal en un 10%, para prever posibles variaciones de carga (calor del desescarche, infiltración de aire del exterior…). A esto también se le conoce como mayoración del cálculo.

A consecuencia, hablaremos de una potencia total necesaria de:

Qtotal = 1.1 * Q

Como el calor generado en las 24 horas del día debe extraerse en un tiempo menor, en las “t” horas de funcionamiento diario, la potencia de la maquinaria Nr deberá ser superior a la potencia Qtotal calculada para extraer en las 24 horas. Su valor será el siguiente:

Nr = Qtotal * 24/t

Qtotal: está calculada como potencia en W.

Veamos a continuación el proceso de cálculo de necesidades frigoríficas paso a paso.

Partidas de calor

Para optimizar las dimensiones y características técnicas del evaporador y de la instalación frigorífica en general es necesario considerar las siguientes partidas de calor.

Partidas correspondientes a:

Flujo de calor a través de los cerramientos (Qp1).
Entrada de aire exterior a la cámara (Qp2).
Calor de los ventiladores del evaporador y otros motores (Qp3).
Calor liberado por las personas (Qp4).
Calor liberado por la iluminación (Qp5).

Partidas correspondientes a:

Conservación del producto (Qu1).
Refrigeración del alimento en las diferentes etapas (antes de la congelación, calor latente de congelación y después de la congelación) (Qu2).
Calor de respiración del alimento (Qu3).
Refrigeración del embalaje (Qu4).

Flujo de calor a través de los cerramientos

La entrada de calor por paredes, techo y suelo de la cámara es inevitable, pero puede reducirse eficazmente con la disposición de material aislante en toda la superficie interior del espacio frio.

El cálculo del valor de esta partida debe hacerse para cada superficie por separado, sumándolas después. Consiguiendo de esta manera un resultado más exacto, excepto en el caso de que los valores de K y de Δt sean idénticos para todos los cerramientos de la cámara.

La tasa total de calor que entra en la cámara debido a los cerramientos viene dada por la siguiente expresión:

Qp1 = K * S * Δt

Qp1: tasa de calor en W según los datos.
K: coeficiente global de transmisión de calor de pared o techo, en W/ (m2.K)
S: superficie de cada cerramiento en m2.
Δt: diferencia de temperatura entre el exterior e interior de la cámara. (Existen valores que pueden hacer modificar este incremento de temperaturas, como son el color y la orientación de los cerramientos exteriores de la cámara, cuando estos están en contacto directo con los rayos del sol).

Los valores usuales de K se pueden obtener por cálculo o bien utilizando tablas en las que se relacionan los materiales aislantes más comunes en estas aplicaciones, con los valores de K dependiendo de su espesor.

Definimos el flujo de calor que traspasa los cerramientos como:

q = Qp1 / S

Como recomendación del Reglamento de Seguridad en Instalaciones Frigoríficas (RSIF), dependiendo del tipo de cámara (conservación o congelación), se consideran admisibles los siguientes valores:

q = 9 W/m² para cámaras de conservación.
q = 8 W/m² para cámaras de congelación.

De esta manera, podemos encontrar fácilmente el calor de transferencia:

Qp1 = q * S

Y posteriormente el coeficiente de transmisión:

Δt = t ext – t int + t´

t ext: temperatura exterior de diseño.
t int: temperatura interior de diseño.
t´: factor de los rayos solares sobre las paredes de la cámara.

El valor que se utiliza para los cálculos como temperatura exterior de diseño, lo obtenemos según las características geográficas del terreno: latitud, altitud, … Este dato es de fácil acceso mediante tablas geográficas.

Como es lógico, la temperatura interior de diseño viene dada por las necesidades térmicas necesarias, según el tipo de producto, el tiempo de almacenaje, etc.

Entrada de aire exterior a la cámara

En el recinto refrigerado debe existir ventilación suficiente para sustituir periódicamente el aire viciado por aire fresco. Esta ventilación se realiza principalmente con el uso de las puertas de la cámara, pero de no ser así suficiente, se debe proceder a la utilización de sistemas de ventilación.

Para el cálculo de esta partida es necesario hacer una estimación de las condiciones de temperatura y humedad relativa del exterior, para poder calcular su entalpía, ya que la expresión que se aplica es:

Qp2 = n * V * Δh

Qp2: potencia enfriamiento aire de renovación, en KJ/día.
n: número de renovaciones de aire por día.
V: volumen interior de la cámara, en m3.
Δh: diferencias de entalpias entre el aire del exterior e interior de la cámara, en KJ/m3.

Calor aportado por motores

Es el calor debido al trabajo de los motores y las máquinas en el espacio frío. El más típico es el calor causado por los motores de los ventiladores del evaporador, pero también se deben contar, por ejemplo, los motores de carretillas elevadoras y, en suma, cualquier máquina que desarrolle su trabajo dentro de la cámara.

La expresión que se aplica es la siguiente:

Qp3 = 0.2 * Σ (N * f) * 3600

N: es la potencia de cada motor en KW.
f: es el tiempo de funcionamiento en horas.
3600: es el factor de conversión de horas a segundos.
2: es el factor que considera que un 20% de la potencia del motor se transforma en calor.

Calor aportado por las personas

El personal que almacena o manipula productos en una cámara frigorífica aporta calor, sobre todo si realiza un trabajo intenso.

Qp4 = (q * n * t) / 24

q: calor emitido por persona (W).
n: es el número de personas.
t: tiempo de permanencia en horas/día.

El calor emitido por persona aumenta a medida que disminuye la temperatura, como se puede apreciar en la tabla siguiente:

Calor liberado por la iluminación

Las lámparas de incandescencia invierten una parte de la potencia consumida en producir calor. Los fluorescentes, a causa de la potencia reactiva, producen un 30% más, por lo que no suelen utilizarse.

Si no se sabe con precisión la potencia eléctrica dedicada a la iluminación, ésta puede determinarse según criterios estandarizados. Lo usual es prever dos niveles de iluminación diferentes para zona de almacenaje y zona de trabajo, en el caso de que hubiese dos zonas. Estos valores son respectivamente, de 12 y 27 W/m2.

Qp5 = N_iluminacion * (t / 24) * f

N_iluminacion: potencia de iluminación en W.
t: tiempo de funcionamiento de la iluminación en horas.
f: si la iluminación es mediante fluorescentes debe multiplicarse por 1´25.

Conservación de la mercancía

Esta partida contempla el enfriamiento del producto desde la temperatura de entrada en la cámara hasta la temperatura final, por encima del punto de congelación. La expresión a utilizar es la siguiente:

Qu1 = Cp * m * (Te – Tf)

Cp: calor específico por encima del punto de congelación expresado en KJ/ (Kg K).
m: masa diaria de mercancía introducida en Kg.
Te: la temperatura del producto al entrar en la cámara en ºC.
Tf: la temperatura del producto al final del enfriamiento en ºC, esta temperatura será superior a la de congelación.

Para hacer un buen uso de esta fórmula, debemos saber que el calor específico del producto (Cp) varía según éste se encuentre por encima o por debajo de la temperatura de congelación. Hablaremos de (Cp+) para temperaturas positivas y de (Cp-) para temperaturas negativas. Estos valores pueden ser obtenidos mediante tablas, o bien pueden ser calculados en función del porcentaje de agua contenido en el alimento con las siguientes formulas:

Cp+ = 0.0355 * a + 0.837

Cp- = 0.0126 * a + 0.837

a: porcentaje de agua contenido en el producto.

La fórmula para la obtención de Cp-, no es muy exacta porque los alimentos no son simples mezclas de sólidos, y los líquidos no están totalmente congelados incluso a -30ºC. Por este motivo, dichos valores serán obtenidos mediante tablas anteriormente estudiadas y contrastados los valores.

Refrigeración del alimento en las diferentes etapas

¡Cuidado cuando existe congelación del producto o cuando entra el producto congelado!, porque existen diferencias a la hora de calcular esta partida.

Esta partida comprende tres etapas de enfriamiento.

La primera etapa calcula el frío necesario para disminuir la temperatura de la mercancía desde la entrada hasta la de congelación.

Qu21 = Cp * m * (Te – Tf)

Los parámetros de esta fórmula son explicados en el apartado anterior.

La segunda etapa representa el frío invertido en la congelación, que al tratarse de un cambio de estado se realiza a temperatura constante.

Qu22 = L * m

L: es el calor latente de congelación en KJ/Kg.
m: masa del producto a congelar.

El calor latente de congelación puede ser obtenido mediante tablas o bien puede ser calculado a partir del porcentaje de agua, tal como se describe en la siguiente fórmula:

L = 3.335 * a

La tercera etapa consiste en disminuir la temperatura del producto desde el punto de congelación hasta la temperatura deseable para su mantenimiento. La expresión utilizada es:

Qu23 = Cp * m * (Te – Tf´)

Cp: calor específico por debajo del punto de congelación.
Tf´: temperatura final del producto en ºC, inferior a la de congelación.

Una vez obtenido los valores de las diferentes etapas, la partida puede expresarse de la siguiente manera:

Qu2 = Qu21 + Qu22 + Qu23

Calor de respiración del alimento

Las frutas y verduras continúan su proceso de maduración en el interior de la cámara, aportando un calor adicional que se calcula en esta partida.

Generalmente son cantidades bastante pequeñas, que se valoran según la siguiente ecuación:

Qu3 = Lr * m

Lr: es el calor de respiración en KJ/Kg.

En este proyecto no va a ser necesario realizar este cálculo.

Refrigeración del embalaje

Esta partida contabiliza el frío empleado en reducir la temperatura de los envoltorios o envases en que se almacena el producto.

El embalaje del producto debe tenerse en cuenta especialmente cuando constituye una parte importante de la mercancía. La expresión que nos permite calcular esta partida es:

Qu4 = Ce * Me (Te – Tf)

Ce: calor específico del material o del embalaje en KJ/Kg K.
Me: masa del embalaje en Kg.

Calor total y potencia de la máquina de frío

Una vez obtenidas las partidas parciales, la carga total (Qtotal) y la potencia de la maquinaria (Nr) se calcularán con las ecuaciones descritas en el inicio del capítulo.