Refrigeración Sectores de la industria

Cómo determinar la carga térmica

Las variaciones de temperatura en el ambiente, el tipo de producto almacenado, así como su demanda son las directrices para el dimensionamiento de un equipo de refrigeración.

José Luiz Lemke Arins.

El dimensionamiento de refrigeradores, tanto domésticos como comerciales ha mejorado notablemente en los últimos años. Esto gracias a las nuevas tecnologías de compresión, nuevos refrigerantes, nuevos micromotores y controles más inteligentes, que permiten al ingeniero proyectar el refrigerador, así como considerar las más diversas condiciones y optimizar los componentes para lograr la mejor eficiencia térmica posible.

La primer tarea para dimensionar el refrigerador es entender todas las condiciones de trabajo al que éste podrá estar sujeto en su aplicación, como las variaciones de temperatura ambiente, el tipo de producto almacenado, la demanda de éste y otros factores que pueden ayudar a definir las características de los componentes, así como las principales condiciones de contorno del funcionamiento del refrigerador.

1. Temperatura ambiente
Al definir la temperatura ambiente en que se puede aplicar el refrigerador se está informando un punto importante para elegir el aislamiento del refrigerador, características del condensador, capacidad del compresor,  evaporador, capilar y otros, es decir, la temperatura del entorno es un factor que contribuye al incremento o disminución de la carga térmica del refrigerador.

2. Demanda del refrigerador
En el desarrollo de un refrigerador, los ingenieros tienen que considerar las condiciones extremas a las que un equipo comercial trabajará, como la demanda de productos, la temperatura ambiente, así como el tipo y condición del producto por ser refrigerado.

G1En la Gráfica 1 se presentan las condiciones que se consideran cuando se determina la capacidad de refrigeración que un determinado aparato tiene que lograr para cumplir con los requisitos del especificador.

Normalmente, los refrigeradores trabajan en tres condiciones de aplicación: condición de alta carga térmica, conocida también como condición de proyecto; condición normal, y condición de baja carga térmica (condición especial).

La condición de alta carga térmica es la más extrema a la que un refrigerador puede trabajar. Y la que considera la más alta temperatura ambiente; es decir, el período del día con mayor venta de productos, y, por ende, con más apertura de puertas. Y, en condición extrema, el llenado del refrigerador con una carga de productos a temperatura ambiente.

G2Para ilustrar esta variación, en la carga térmica representada en la Gráfica 2 se tiene un refrigerador para refrescos que en las dos primeras horas funciona en condiciones estables y las botellas se encuentran a una temperatura apropiada.

Así, donde hay una carga de 50 por ciento del total de las botellas, no hay apertura de puertas; sin embargo, al completar 2 horas se coloca el otro 50 por ciento de las botellas que estaban afuera del refrigerador, e ingresan con una temperatura de 40° C.

En la condición alta, la ingeniería determina tanto la capacidad del compresor  como sus dimensiones. Pero este refrigerador estuvo solamente 7 horas en dicha condición, y, consecuentemente, el proyecto está penalizando al refrigerador por tener que cumplir requisitos de alta carga, que normalmente no pasan de un 40 por ciento del tiempo total trabajado.

G3Al dimensionar el refrigerador en condiciones de alta carga se elige un compresor de mayor capacidad, un condensador y evaporador con más área y volumen, más carga de refrigerante; por tanto, se incrementa el consumo energético del refrigerador.

3. Evaporador y condensador
Considerando el ejemplo anterior, cuando se puso 50 por ciento de los productos calientes dentro del refrigerador, el dimensionamento de los intercambiadores y del compresor considera la condición de alta carga, donde es muy representativo el calor por ser retirado del producto para que alcance la temperatura de comercialización, además de la entrada de aire caliente.

Producto = producto caliente colocado en el refrigerador + el producto interno que se calentó X el flujo de calor del ambiente externo para el interno
Aire = aire caliente que entra en el producto en el momento de la apertura de puertas
Internos = generación interna de calor  X  el micromotor, iluminación y otros componentes
Entradas = el calor que entra al refrigerador X el aislamiento X la puerta de vidrio X el proceso de compresión

G4Para comprender mejor la influencia de esta variación de condición del equipo, se puede evaluar el proceso de refrigeración en el diagrama Ph (Gráfica 4), y visualizar cómo el incremento de temperaturas de evaporación y condensación generan componentes grandes y aumento en el consumo energético.

Todo el calor que está dentro del refrigerador o que está entrando es transportado al evaporador por el flujo de aire (generado por el micromotor), y, al pasar éste entre tubos y aletas, el calor es absorbido por el refrigerante que está en el evaporador.

Al analizar el diagrama Ph, se considera que el calor absorbido por el evaporador es definido por la expresión:

Q=m*(h2-h1)

Donde:

Q= Cantidad de calor absorbido en evaporador
m= Flujo másico de refrigerante (kg/s)
h1= Entalpía del refrigerante en la entrada del evaporador (J/kg)
h2= Entalpía del refrigerante en la salida del evaporador (J/kg)

G5Para ilustrar el impacto del aumento de carga, se pone una carga térmica adentro del refrigerador. En la Gráfica 5 se muestra el comportamiento del evaporador en el momento exacto en el que se colocan la mitad de las botellas en el refrigerador a 40º C (la misma prueba de la Gráfica 2, pero ahora evidenciando las temperaturas del evaporador).

En la gráfica se representan las condiciones del evaporador momentos antes de poner la carga térmica (T1) y, pocos minutos después, las temperaturas de entrada y salida del evaporador en condiciones de carga alta.

Antes de incrementar la carga térmica se observaban temperaturas de entrada al evaporador de -5º C, y pasados 30 minutos por el orden de 15º C, una variación de 20º C que genera un cambio de la entalpía (h1 y h2) y también un incremento fuerte del flujo másico (m) del sistema de refrigeración.

Después de definir un evaporador que pueda absorber todo el calor de una condición de plena carga y confirmar que el compresor elegido tiene capacidad suficiente para esta condición, se verifica qué condensador es el adecuado.

El condensador es una consecuencia a lo anterior, pues tiene que rechazar todo el calor absorbido en el evaporador, más parte del calor generado en el proceso de compresión.

4. Proyectos regulares
Todo lo mencionado posee algunas simplificaciones, pero es evidente que el refrigerador trabaja en condiciones variables y que se aplican componentes que no tienen la capacidad de cambiar su modo de trabajo para que siempre dé el mejor performance posible, porque, en las condiciones normales, la ingeniería define un conjunto de componentes que sea bueno en plena carga y en condiciones estables, pero no logra la excelencia en ninguna de las condiciones.

G65. La tecnología
Debido a las variaciones, no es posible emplear dos compresores, pero se pueden aplicar tecnologías como los compresores de velocidad variable que permiten bajar o aumentar la capacidad de refrigeración. No se usan dos evaporadores o condensadores porque no se podría emplear un micromotor con capacidad variable que pueda interaccionar con el compresor.

En la Gráfica 7 se muestra la temperatura de entrada del evaporador del mismo refrigerador de botellas, con un compresor de velocidad variable, donde se percibe que la temperatura de evaporación no es la misma, pero las botellas están a igual temperatura.

Esta variación de la temperatura de la entrada del evaporador es una de las consecuencias de la aplicación de un compresor de capacidad variable, puesto que el compresor varía su capacidad, pero el evaporador, el condensador, el capilar (si es el caso) y los micromotores son los mismos.

G7En la Gráfica 7 se representa la misma comparación, pero ahora con la variación de la temperatura del condensador, y se percibe que el compresor de velocidad variable, cuando baja su velocidad, trabaja en condensaciones más bajas.

Las dos últimas gráficas indican que, al aplicar una solución de alta tecnológica, como un compresor de capacidad variable, se puede mejorar toda la eficiencia del refrigerador y buscar otras mejorías, como válvulas de expansión y micromotores que puedan disminuir los efectos en los intercambiadores de la variación de la capacidad de refrigeración, aplicando un control inteligente que pueda administrar todas estas variaciones.

Aunque este proceso de ajuste y de buscar la condición más eficiente es un tema extenso digno de otro artículo.
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José Luiz Lemke Arin
Ingeniero de aplicación desde hace tres años en Wellington Drive Technologies, empresa neozelandesa que se dedica a la producción de motores conmutados electrónicamente, controladores electrónicos y soluciones especiales para las industrias de refrigeración y ventilación.

Comentarios

2 comentarios en “Cómo determinar la carga térmica

  1. alejandro rodriguez dice:

    Quisiera saber como calcular la eficiencia de un refrigerador comercial , se que es la potencia de salida entre la potencia de entrada , pero no se como calcular la potencia de salida

  2. Jose Camacho dice:

    La eficiencia de una maquina térmica se determina a través de su coeficiente de operación, y básicamente es, es la capacidad de remover energía de ese refrigerador a través de un intercambiador de calor (evaporador) entre la energía que empleas para remover dicha energía a través de un motocompresor, a través de esta ecuación queda: COP = Qremovido / W compresor, de esa forma podrias conocer la eficiencia del refigerador, esa es la forma básica, existen Normas oficiales para caracterizar eficiencias de máquinas térmicas, e.g, en México creo que se llama NOM-015 para refrigeradores.

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