En esta lección vamos a calcular el espesor del aislamiento empleando las expresiones vistas en la lección anterior. Para ello vamos a continuar resolviendo el ejemplo de la cámara frigorífica situada en Alicante y para la que determinamos las condiciones exteriores en la lección 2. Contamos con los siguientes datos:
Emplazamiento: Alicante.
Temperaturas exteriores: Las determinadas en la lección 2.
Dimensiones de la cámara: 50m x 40m en planta, altura 15m (interiores).
Tipo de cámara: Con cerramientos exteriores de panel sándwich autoportante. Suelo con forjado sanitario con encofrado perdido de elementos de polietileno con 15cm de altura. Aislamiento del suelo con panel rígido de XPS o de poliuretano.
Orientación: Lados largos, norte – sur.
Uso: conservación de producto congelado (pescados y mariscos)
Densidad de almacenamiento: A definir por el proyectista.
Condiciones de entrada del producto y rotación: A definir por el proyectista.
Condiciones de conservación: A definir por el proyectista.
Cálculo del espesor del aislamiento
Para el cálculo del espesor del aislamiento podemos emplear las expresiones vistas al final de la lección anterior, aunque como en este caso vamos a emplear panel sándwich autoportante, cuyo fabricante da el valor de U, emplearemos el concepto de transmitancia térmica máxima.
La potencia térmica q (W) que entra a través de un cerramiento de superficie A (m2) sometido a un diferencia de temperatura entre sus caras de Δθ (K) se calcula como:
Siendo U la transmitancia térmica en W/m2·K (la transmitancia térmica es la inversa de la resistencia térmica).
Conocido el salto térmico para cada cerramiento, y aplicado un criterio de dimensionamiento consistente en limitar la potencia absorbida por unidad de superficie, podemos calcular la transmitancia máxima del cerramiento como:
Como criterios de diseño para la elección del espesor del aislamiento emplearemos los recogidos en el Reglamento de seguridad para instalaciones frigoríficas y sus instrucciones técnicas complementarias, obligatorios en España.
Tipo de planta
Criterio de diseño (q/A)
Cámaras de temperatura negativa
8 W/m2
Cámaras de temperatura positiva
9 W/m2
Locales refrigerados para procesos (temperatura entre 7 y 20ºC)
15 W/m2
Los límites marcados por el reglamento resultan ligeramente más exigentes que los indicados por la mayor parte de las referencias bibliográficas.
En el vídeo de la lección se desarrolla un ejemplo de cálculo.
Enlace a la hoja de cálculo de la carga de refrigeración
El aislamiento de las partes refrigeradas de la instalación juega un papel determinante en el consumo energético de la planta, y por tanto en su coste de explotación y en su comportamiento medioambiental.
Será necesario aislar todos los recintos refrigerados y todas las partes de la instalación como recipientes, tuberías o accesorios, que puedan trabajar a temperaturas relativamente bajas, pudiendo considerarse como valor de referencia 15ºC. También resultará obligatorio aislar aquellos elementos sobre los que, dadas las condiciones del aire, puedan producirse condensaciones superficiales.
La cara caliente del aislamiento deberá estar protegida por una barrera contra el vapor, salvo que el propio material del aislamiento garantice una protección equivalente, por su elevada resistencia a la difusión de vapor de agua.
Aislamiento de tuberías y accesorios
Para aislar tuberías y accesorios del circuito frigorífico se suele emplear espuma eslastomérica en instalaciones de pequeña y media potencia, y poliuretano rígido en instalaciones grandes.
Como acabado exterior en instalaciones aisladas con espuma elastomércia se puede emplear chapa de aluminio o acero, o pinturas especiales. En los elementos aislados con poliuretano rígido es habitual rematar el aislamiento con poliéster reforzado con fibra de vidrio, que hace las veces de barrera contra el vapor.
En el caso de tuberías, también es posible encontrar coquillas con el acabado exterior incorporado en fábrica, normalmente formado por láminas plásticas con una lámina de aluminio intermedia.
Aislamiento de cámara frigoríficas
En cuanto al aislamiento de cámaras, el reglamento de plantas frigoríficas vigente en España en el momento de redactar este documento indica que el aislante debe cumplir con el reglamento europeo de productos de la construcción y contar con el correspondiente marcado CE, contemplando las siguientes soluciones:
UNE-EN 13163 para aislamientos a base de poliestireno expandido (EPS).
UNE-EN 13164 para aislamientos a base de poliestireno extruido (XPS).
UNE-EN 13165 para aislamientos a base de espuma rígida de poliuretano (PUR).
UNE-EN 13166 para aislamientos a base de espumas fenólicas (PF).
UNE-EN 13167 para aislamientos a base de vidrio celular (CG).
UNE-EN 13170 para aislamientos a base de corcho expandido (ICB).
UNE-EN 14509 para paneles sándwich aislantes autoportantes de doble cara metálica.
Igual que en el caso de tuberías o equipos, la cara caliente del aislamiento deberá estar protegida por una barrera contra el vapor, constituida por un material con una elevada resistencia a la difusión de vapor de agua, como una lámina metálica, plástica o asfáltica. Esta barrera estará dimensionada para evitar las condensaciones intersticiales y si la cámara esta proyectada para trabajar a temperaturas negativas su permeabilidad deberá ser inferior a 0,002 g/m2·h·mmHg.
A pesar de que el reglamento señala varias posibilidades, lo más normal, por ser también lo más operativo, es construir los cerramientos verticales y el techo de las cámaras frigoríficas con panel sándwich autoportante, formado por espuma de poliuretano rígido encerrado en el interior de un material de recubrimiento, normalmente chapa de acero nervada.
En la elección del panel sándwich resulta clave el comportamiento al fuego, empleándose normalmente dos tipos de espuma rígida, de composición similar, pero con comportamiento al fuego distinto: el poliuretano convencional (PUR) que tiene un coste más asequible, pero un peor comportamiento al fuego, y el poliisocianurato, más costoso pero con mejor comportamiento al fuego.
El mercado se inclina cada vez más hacia el empleo del PIR, dado que un incendio en una cámara aislada con PUR suele suponer la pérdida total de la instalación. Incluso hay que valorar la utilización de PIR, a pesar del sobrecoste, para facilitar la contratación de la poliza de seguro de la planta y su contenido.
Aislamiento del suelo de la cámara frigorífica
A la hora de aislar el suelo de la cámara frigorífica, nos encontramos tres casos que tendrán aproximaciones diferentes:
Cámaras de temperatura positiva.
Cámaras de temperatura negativa con carga manual.
Cámaras de temperatura negativa mecanizadas o paletizadas.
En el caso de las cámaras con temperatura positiva, la entrada de calor por el suelo es mínima, así que el aislamiento térmico del suelo es opcional. Si deberá tenerse en cuenta el la difusión de agua por el suelo, para evitar condensaciones o entrada de humedad a la cámara.
Sin embargo, cuando trabajamos con cámaras de temperatura negativa, el aislamiento del suelo y la correcta ejecución de la solución se convierten en factores críticos. Al margen de la entrada de calor desde el terreno, que ya resulta importante, la humedad presente en el suelo puede congelarse y resquebrajar la solera, o incluso deformarla apreciablemente.
Las cámaras de carga manual con carga estática inferior a 1500 kg/m2 pueden aislarse con paneles sándwich de suelo. Para evitar, que con los años, se congele el terreno bajo la solera, puede apoyarse el panel sobre un forjado sanitario, o si el local ya tiene una solera, apoyar el panel de suelo sobre viguetas que permitan la circulación de aire bajo el panel.
Para cargas superiores, no se podrá emplear panel sándwich y será necesario ejecutar una solera aislada y ventilada o dotada con suelo radiante por la parte exterior.
En la cuarta lección del curso de instalaciones frigoríficas de nivel intermedio hablamos de la normativa aplicable a cada proyecto. Las instalaciones de frío, por tratarse de instalaciones en el ámbito de aplicación de la ley de industria, cuentan con un reglamento de seguridad industrial llamado Reglamento de seguridad para plantas frigoríficas, completado por 21 instrucciones técnicas complementarias de obligado cumplimiento.
Es posible que por la actividad prevista o el tipo de productos conservados en la planta, sea necesario cumplir alguna normativa técnico-sanitaria que puede fijar condiciones de conservación o requisitos técnicos. Si se trata de alimentos deberemos consultar la legislación de seguridad alimentaria, por si nos afectase alguna disposición.
Huelga decir que si proyectamos una planta completa deberemos justificar todas las normas que resulten de aplicación, como pueden ser el CTE, baja y media tensión, normativa urbanística y de actividad, etc.
Además de la ubicación de la planta, para poder obtener la potencia frigorífica de la instalación necesitamos conocer las dimensiones de los recintos a refrigerar, su relación con el entorno y el tipo de proceso que se prevé llevar a cabo (conservación, congelación, maduración, desverdización, secado, fabricación, etc.).
La situación ideal es que el cliente ya cuente con un plan industrial y un diseño de los procesos, y conozca los flujos de materia prima y producto y las previsiones de producción y almacenamiento. En cualquier caso deberemos asegurarnos de que las previsiones son realistas y los usos compatibles con el local o parcela.
En otros casos el cliente solo nos indicará la disponibilidad de espacio y seremos nosotros quienes debamos asignar una densidad de almacenamiento estimada en kilogramos de mercancía por metro cúbico de volumen bruto de la cámara. Esta estimación, salvo que hayamos acordado participar el la parte de desarrollo de negocio, servirá únicamente para el cálculo de la potencia frigorífica necesaria, y debemos aclarar en el proyecto que no puede ser considerada a efectos de determinación de la capacidad de producción o volumen logístico.
El valor de densidad de almacenamiento dependerá de la densidad de la mercancía, de la presentación de la misma, del embalaje y de como se prevé operar en el interior de la cámara (mercancía apilada, en bandejas, en cestas, en estanterías, logística basada en carretillas, cámaras robotizadas, etc.).
Como influyen tantos factores lo ideal es que sea el operador de la cámara quien aporte este dato. Si no tenemos acceso al mismo, y para el cálculo de la carga de refrigeración podemos emplear los siguientes valores orientativos, obtenidos de las referencias bibliográficas.
Tipo de producto a conservar
Densidad estimada de almacenamiento
Vacuno colgado
300 – 350 kg/m3
Ovino / caprino colgado
150 – 200 kg/m3
Porcino colgado
300 – 350 kg/m3
Frutas y verduras
200 – 250 kg/m3
Pescado fresco o congelado
350 – 500 kg/m3
Productos cárnicos congelados
350 – 500 kg/m3
Si desconocemos el tipo de mercancía que se prevé almacenar, podemos considerar una densidad de almacenamiento de entre 250 y 300 kg/m3.
Tipo de producto y embalaje
Calcular la potencia frigorífica necesaria requiere conocer el tipo de producto a conservar o procesar y sus propiedades termofísicas. Además de la densidad de almacenamiento, comentada en el apartado anterior, será necesario conocer los siguientes datos en función de si el producto se prevé mantener fresco ,congelado o se pretende congelar:
Conservación de producto fresco:
El producto se recibe por encima de la temperatura de congelación y se mantiene fresco, sin que se solidifique el agua que forma parte de su composición. Los datos necesarios en este caso serán:
Calor específico antes de la congelación [kJ/(kg·K)].
Calor de respiración o fermentación del producto [kJ/kg].
Necesidades de ventilación.
Calor específico del embalaje [kJ/(kg·K)].
Porcentaje en peso del embalaje.
Temperatura de entrada del producto y embalaje.
Temperatura de conservación.
Conservación de producto congelado:
En este caso el producto se recibe en nuestra instalación ya congelado, no siendo necesario retirar el calor necesario para la congelación. En los productos congelados no se considera respiración o fermentación:
Calor específico antes de la congelación [kJ/(kg·K)].
Calor específico del embalaje [kJ/(kg·K)].
Porcentaje en peso del embalaje.
Temperatura de entrada del producto y embalaje.
Temperatura de conservación.
Congelación:
En las instalaciones de congelación como túneles, abatidores o armarios de placas, el producto a procesar entra fresco y sale congelado, debiendo superar en el interior de la planta el proceso de solidificación del agua que forma parte de su composición. Los datos a recabar en es caso son:
Calor específico antes de la congelación [kJ/(kg·K)].
Calor latente de congelación [kJ/(kg·K)].
Calor específico después de la congelación [kJ/(kg·K)].
Calor específico del embalaje [kJ/(kg·K)].
Porcentaje en peso del embalaje.
Temperatura de entrada del producto y embalaje.
Temperatura de congelación.
Temperatura de salida del producto congelado.
En la bibliografía disponible vienen tabulados los valores más habituales de calores específicos, calores latentes, temperaturas de congelación y conservación de gran variedad de productos perecederos. Al final de la página puedes encontrar una tabla resumen de estos valores.
Es posible que los productos perecederos a conservar o congelar se presenten en algún tipo de embalaje de cartón o madera o se almacenen en jaulas metálicas o contenedores de plástico.
Será necesario tener en cuenta la masa y propiedades de los embalajes y contenedores que intervienen en la rotación de mercancía, para considerar el calor a extraer para enfriarlos. Dado que los materiales de los embalajes son sólidos, entendemos que no se congelan, no teniendo en cuenta ninguna fase latente en su enfriamiento, y trabajando solo con un calor sensible.
Para estimar la cantidad de embalaje, en ausencia de datos mejores, podemos aplicar los siguientes ratios:
Tipo de producto
Porcentaje en peso del embalaje
Producto genérico
10% … 30%
Productos hortofrutícolas en cajas de madera
8% … 16%
Huevos frescos en cartones con alveolos
15% … 20%
Mantequilla congelada en cajas
5%
Carnes frescas
0%
Productos congelados en general
0% … 5%
Mercancía paletizada
4% … 5%
En cuanto a los calores específicos de los embalajes podemos considerar los siguientes valores orientativos:
Tipo de embalaje
Calor específico [kJ/(kg·K)]
Madera
1,70
Cartón
1,40
Vidrio
0,75
Acero
0,50
Poliestireno expandido
1,45
Polietileno de alta densidad
1,80
Condiciones de entrada del producto y rotación
Estimar el calor que es necesario extraer a la mercancía requiere conocer su temperatura de entrada y la cantidad de producto que entra a la cámara en cada ciclo de trabajo.
Para el caso de cámaras de conservación de producto fresco, salvo que la mercancía se haya enfriado en un proceso previo, podremos considerar como temperatura de entrada la temperatura ambiente. En cámaras de conservación de producto congelado, lo normal es que el material entre a la cámara ya congelado y manteniendo la cadena de frío que garantice la salubridad del mismo, por lo que, en valor medio, no debería entrar a una temperatura mayor de -18ºC para las aplicaciones más comunes.
En cuanto a la cantidad de mercancía que entra por ciclo de trabajo, lo ideal sería trabajar con datos reales. A falta de mejores referencias y para cámaras de conservación podemos considerar un 10-15% de la mercancía total almacenada y para túneles de congelación, estimaremos que en cada ciclo se carga el túnel al 100% del volumen.
Condiciones de conservación o procesado
La correcta conservación del producto refrigerado implica mantener la integridad del producto el mayor tiempo posible. Si se trata de productos alimentarios, además de garantizar las características organolépticas las condiciones sanitarias, debemos conocer los requisitos relativos a curado, fermentación, o si es deseable evitar la deshidratación o merma. Para ello es importante conocer, además del rango temperatura de conservación o procesado, el rango de humedad relativa aceptable en el interior del recinto refrigerado.
La temperatura de conservación o procesado determina cuánto calor es necesario extraer a la mercancía para conservarla. Si se trata de congelarla, debemos conocer qué condiciones de procesado nos interesan más para minimizar la degradación de la estructura del producto por la proliferación de cristales de hielo.
La temperatura interior a la que se mantiene el túnel o cámara también condiciona la cantidad de calor que entra a través de los cerramientos verticales, el suelo y el techo del recinto, y la cantidad de calor que aporta el aire exterior que se infiltra por las puertas o que es introducido por la ventilación (solo si esta fuese necesaria).Al final del documento puede encontrarse un listado de tipos de productos perecederos, con sus principales propiedades termofísicas y las condiciones de conservación habituales. Para el caso de túneles de congelación, trataremos sus condiciones de diseño específicas en una lección posterior.
Tabla de propiedades de los productos
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Conocida la ubicación prevista para la planta frigorífica, para el cálculo de la carga de refrigeración, debemos contar al menos con los siguientes datos: temperatura exterior de diseño, humedad relativa del aire exterior, orientaciones de los cerramientos de la cámara y posibilidad de insolación sobre los mismos.
En España, el Reglamento de seguridad en instalaciones frigoríficas hace varias consideraciones acerca de la temperatura exterior de diseño. La instrucción técnica IF-11, en su apartado 1.2 propone emplear el valor de temperatura de referencia para el diseño que se deriva del Anexo 1 de la instrucción técnica IF-6, en el que aparece el siguiente mapa:
La instrucción técnica IF-11 también indica que en caso de contar con datos más precisos procedentes de estaciones meteorológicas cercanas, la temperatura exterior de diseño puede obtenerse a partir de la siguiente expresión:
Siendo Texproy la temperatura exterior de diseño, Tmm la temperatura media mensual y TM la temperatura máxima del mes más caluroso.
En la búsqueda de valores más precisos que los indicados en el Anejo 1 de la IF-06, disponemos de la guía técnica Condiciones climáticas exteriores de proyecto, publicada por el Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía y citada por el Reglamento como documento de referencia.
Como se ha indicado al principio del apartado, también sería aconsejable disponer del valor de humedad relativa coincidente con la temperatura de diseño, para estimar el aporte de calor latente debido a la apertura de puertas o a la ventilación de la cámara, si esta fuese necesaria. Puede resultar dificultoso obtener valores de temperatura exterior de diseño y humedad relativa coincidentes (la guía del IDAE no los facilita). Si este es el caso, y solo para considerar el efecto de las infiltraciones o ganancias de calor por ventilación, se propone emplear los valores de temperatura seca y húmeda coincidente para la obtención de las condiciones termohigrométricas del aire exterior.
Para localizaciones fuera de España existen gran número de base de datos en línea que cuentan con datos fiables. Una opción podría ser la ASHRAE CLIMATIC DESIGN CONDITIONS accesible desde http://ashrae-meteo.info/.
Corrección de temperaturas por orientación
Una vez definida la temperatura exterior de proyecto, procederemos a la corrección de la misma para tener en cuenta las particularidades de cada elemento de la envolvente. Para cerramientos expuestos a la radiación social, sumaremos a la temperatura exterior de proyecto el coeficiente de corrección por insolación obtenido de la siguiente tabla (valores para el hemisferio norte en latitudes medias):
Orientación
Δci
Norte
0
Sur
5
Este
5
Oeste
10
Techo
15
Para cada una de las orientaciones indicadas, el valor de la temperatura de cálculo exterior (TC)será:
La temperatura de cálculo para el suelo se fijará en 15ºC si la cámara no cuenta con vacío sanitario, y será la media entre la temperatura exterior de proyecto y 15ºC si el recinto refrigerado cuenta con vacío sanitario.
En el caso de que la cámara se encuentre en el interior de un local no climatizado, puede considerarse cómo temperatura de cálculo la temperatura exterior de proyecto menos 4ºC. Si el local que contiene la cámara se encuentra climatizado durante todas las horas diurnas, podrán considerarse como condiciones termohigrométricas exteriores las del local que contiene la cámara.
Ejemplo de determinación de condiciones exteriores
Se pretende construir una planta frigorífica en Alicante. Definir las condiciones exteriores de proyecto, suponiendo que los cerramientos de la planta están en contacto directo con el aire exterior y que la misma cuenta con vacío sanitario.
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Primera lección del curso de nivel intermedio de instalaciones frigoríficas en te presento el curso y expongo el proceso de diseño que seguiremos para dimensionar una planta frigorífica. Durante el curso, apoyándonos en ejemplos, seremos capaces de elegir de forma justificada los elementos que formarán parte de las tuberías, seleccionando evaporadores, compresores, condensadores, dispositivos de expansión y calculando las tuberías.
Para ello veremos en primer lugar cómo obtener los requerimientos previos de la instalación frigorífica relacionados con su uso y su emplazamiento. Después aprenderemos a determinar el espesor mínimo del aislamiento térmico, para pasar a obtener la carga térmica de refrigeración, y a partir de la misma, la potencia frigorífica necesaria.
Con todos los parámetros obtenidos, siguiendo el procedimiento descrito en esta lección, ya podremos pasar a elegir los componentes de la instalación frigorífica.
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