El pasado 19,20 y 21 de Septiembre fuimos participes de la Exposición de HVAC&R más importante de México y  Latinoamérica, la AHR EXPO México 2023 tuvo su sede en la Ciudad de México en el Centro Citibanamex y contó con mas de 10,000 profesionales expertos en la industria, tecnología, maquinaria, innovaciones y lo último en soluciones de vanguardia y ahorro de energía dentro del segmento HVAC&R.

El interés por impulsar a la industria de HVAC&R tanto en segmentos de nicho como para cualquier interesado reside en la constante y creciente fortaleza de los resultados que se reportan en este segmento a nivel nacional, representa, aproximadamente, el 3% del Producto Interno Bruto (PIB) del país, de acuerdo con el INEGI.

Tuvimos 3 días de bastante actividad y  esperamos haber marcado una diferencia en la industria de la Calefacción, Ventilación, Acondicionamiento del Aire y Refrigeración.

Estamos muy contentos de nuestra participación en este gran evento y no nos queda más que agradecer a todos nuestros clientes, colaboradores y socios que sin su apoyo no hubiéramos estado donde estamos ahora.

Gracias por tomarse unos minutos para conversar con nuestro equipo y continuar trabajando de la mano con los productos que Quimobasicos®️ ofrece al ser la linea más completa de gases refrigerantes en México.

Y sobretodo gracias a todo el equipo de colaboradores que estuvo detrás de todo este gran proyecto, gracias por el compromiso, entrega, esfuerzo y dedicación. Que sean mas éxitos para el futuro. 🙌🏻

¡Nos vemos en la próxima entrega Expo AHR!✅

Armando Ruelas, Adan Sanchez, Andres Flores, Darío L., Jesús S., Fabian Manzano, Mario Aguilar, Marco García, Rafael Espinoza, y Oscar Maldonado.

Entre los factores que influyen en la distribución de frío en el interior de los refrigeradores se encuentra el aire, que, de aprovecharse, otorgaría mayor eficiencia y un enfriamiento más homogéneo. En este sentido, son varios los aspectos por considerar

Hace ya mucho tiempo, el hombre controla el flujo de calor; y en este camino, continúa en la búsqueda de métodos que mejoren la eficiencia del proceso, físicamente y en términos de economía. En el caso de las máquinas térmicas, habrá que considerar al aire como un aliado para promover y efectuar un proceso eficiente, en el que existen términos y conceptos que permiten tener mayor certeza en el tema.

Tipos de intercambio de calor
Los métodos de transferencia de calor son conducción, convección y radiación. Siendo el proceso de convección en el que más se ahonda, con el objetivo de mejorarlo y realizar un intercambio térmico más eficiente al interior de un refrigerador.

Ahora bien, el aire es un medio para transferir calor desde el producto que es enfriado hasta el intercambiador o evaporador; además de que es un fluido eficaz, abundante, de bajo costo, químicamente estable y con pocos inconvenientes al estar en contacto con el producto.

El aire es un medio para transferir calor desde el producto que es enfriado hasta el intercambiador

Convección del aire
La convección es un método de transmisión de calor que ocurre en los fluidos en los que la transmisión del calor se da por el transporte de materia. Cuando el fluido se calienta, las moléculas se mueven más rápido y aumentan el volumen de la masa, pues se separan una de la otra por el mismo calor, lo cual reduce la densidad del fluido.

Dicho fenómeno pasa con el aire que se encuentra dentro de un refrigerador, donde el aire calentado por el producto, debido a su baja densidad, asciende en dirección al evaporador y al acercarse a él se enfría y desciende por la parte baja del refrigerador.

Éste es un proceso continuo mientras exista la diferencia de temperatura entre el producto, el aire y el intercambiador de calor, lo que genera corrientes de convección que mantienen la circulación de fluidos. Cuanto menor sea la diferencia de temperatura entre las partes del proceso, menor será la velocidad del aire.

En el análisis que retoma este artículo se simplifica el proceso, ya que no se toman en cuenta las entradas misceláneas de aire por aislamiento; es decir, aquellas que suceden por el uso de puertas y empaques.

Transferencia entre las partes
Si se considera que no existe convección natural del aire y que el calor fluye del producto al aire que se encuentra a su lado, el aire más cercano al producto será más caliente y el más lejano será más frío. Cuando el producto pierde energía en el aire, disminuye su temperatura; sin embargo, el aire que esté de su lado siempre estará en camadas de diferentes temperaturas.

Figura 2. El calor fluye del producto hacia el aire más cercano, creando un proceso de transferencia de calor por conducción

En la figura 2 se muestra un ejemplo de cómo este proceso de intercambio en un refrigerador ocurre en camadas. Cuando el calor fluye del producto hacia el aire más cercano, se crea un proceso de transferencia de calor por conducción, con la diferencia de que la camada más caliente estará subiendo y será remplazada por otra de menor temperatura.

A fin de conseguir tal proceso de transferencia de calor por convección es necesario contar con un proceso en el que la temperatura disminuye lo más rápido posible, en el cual se logre remplazar la camada de aire en contacto con el producto a una velocidad mayor que aquella que se alcanza en la convección natural.

Convección forzada
Lograr resultados más eficientes en la disminución de temperatura de un producto en refrigeradores en menor tiempo implica mantener temperaturas homogéneas en ellos, para lo cual es factible emplear ventilación mecánica; de esta manera, se mejora la convección en el interior.

Si se considera la Ley de Newton para enfriamiento y transferencia de energía, se podrá decir que la convección forzada, en términos de tiempo, resulta más eficiente que la natural para bajar la temperatura de un producto refrigerado.

q=hA(Tp-Tf)

Donde:
q = tasa de intercambio de calor por convección
A = área externa del sólido que está en contacto con el fluido (aire)
Tp = temperatura externa de la pared del intercambiador (evaporador)
Tf = temperatura del fluido lejos del intercambiador
h= coeficiente de transmisión del calor del fluido (aire) por convección

Como se puede ver en la ecuación, la velocidad de transferencia de calor es mayor cuando la diferencia de temperatura también lo es, y crece al variar el coeficiente de transmisión de calor.

La diferencia de temperatura se puede trabajar ajustando la temperatura del fluido refrigerante en el circuito de refrigeración; asimismo, al coeficiente de transferencia de calor se le puede ajustar dicha diferencia, porque únicamente se debe cambiar el fluido en convección; sin embargo, es algo difícil.

La siguiente tabla muestra el coeficiente de transferencia de calor del aire en algunas condiciones para demostrar cómo esto varía de acuerdo con la velocidad del aire.

Los datos que arroja la tabla anterior pueden llevar a una mala interpretación respecto de que cuanto mayor sea la velocidad del aire, se afectará el proceso de transmisión del calor; a pesar de ello, el dimensionamiento del flujo de aire no es tan directo, por lo que hay que considerar todo el equilibrio del sistema de refrigeración.

Determinación del flujo de aire adecuado
El dimensionamiento del refrigerador comienza con la definición de carga térmica dentro de éste, que usualmente se traduce en cantidad de producto, temperatura en la que el producto entra al refrigerador, temperatura que requiere para que el producto sea enfriado, tiempo para llegar a la temperatura adecuada, entradas de calor por aislamiento y otras fuentes internas de calor; parámetros que ayudan en la elección del compresor, los elementos de expansión del fluido refrigerante y los intercambiadores (evaporador y condensador). Si se consideran las características anteriores, será posible definir el evaporador adecuado y, en conjunto, elegir un micromotor y una aspa.

Éstos deberán proveer un flujo de aire que garantice el intercambio de calor adecuado y lograr mover el aire frío hasta el producto.

Una herramienta que ayuda en esta determinación son los motores electrónicos de velocidades variables, pues se podrá probar el refrigerador con diferentes velocidades, lo que permitirá definir el flujo de aire óptimo, así, el intercambio del calor será mejor.

Por su lado, la gráfica 3 muestra la variación del flujo de aire con la variación de las velocidades del motor, en ésta se mantiene siempre la misma aspa de 200 milímetros a 28 grados centígrados.

Gráfica 3. Variación del flujo de aire con la variación de las velocidades del motor

Cuando varían las velocidades del micromotor, además de variar el flujo de aire, también cambia la presión estática en la región del evaporador. Para simplificar el análisis, se considera que la variación de la presión es mínima.

Dicha posibilidad de variación asiste en otro problema, que es tener un flujo que pueda dejar todo el producto con la mínima diferencia de temperatura en cualquier punto del refrigerador. En muchas ocasiones, hay problemas de variaciones de temperatura significativas, para solucionarlo, se suele trabajar con direccionamiento del aire con ductos o deflectores o con el acomodo de productos, hasta lograr la temperatura del producto según las especificaciones.

Figura 4. Para solucionar las variaciones de temperaturas significativas se trabaja con direccionamiento del aire

Influencia del diseño de la aspa
Algunas aspas pueden parecer similares debido al diámetro y al mismo ángulo, pero al probarlos en un túnel de viento, se percibe que los resultados son distintos, aspecto que genera diferentes flujos de aire con la misma presión estática.

Influyen en la variación de resultados: el diseño de las curvas de la aspa, su porosidad, resistencia del material, presión en el área de la aspa y presión que se transfiere al eje del micromotor.

Lamentablemente, no es común que la industria tenga una estructura en sus laboratorios donde se evalúen los componentes, pero si se conoce la influencia de las variaciones de cada componente, se podrá determinar la configuración adecuada para cada refrigerador.

La elección de una aspa, del motor y de las velocidades del trabajo con el objetivo de lograr un flujo de aire requiere considerar la presión estática del área del evaporador, ya que sí se percibirán diferentes presiones en las distintas aspas donde se aplique el examen.

Como se puede observar en la figura 5, las aspas con diámetros y ángulos iguales y mismo número de aspas pueden arrojar resultados distintos con variaciones excesivas del flujo de aire, como consecuencia, variará la transferencia de calor en los intercambiadores.

Figura 5. La transferencia de calor en los intercambiadores puede variar según las aspas y su cantidad

En resumen, para lograr una distribución ecuánime de las temperaturas de productos dentro de un refrigerador, es importante un buen diseño del flujo de aire, tanto en términos de velocidad, como de distribución.

Quien desarrolla un refrigerador tiene un cúmulo de posibilidades en la búsqueda de un proveedor de aspas que ofrezca soluciones tecnológicas para mover el aire, una de ellas radica en buscar un micromotor que, además de girar el aspa, ofrezca alternativas, como variar la velocidad en las distintas aplicaciones que existen.

Referencias:

José Luiz Lemke Arins (2015, marzo 30). Mejoras en la distribución de frío. Revista Mundo HVACR.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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En la actualidad, una de las tendencias en la industria es fomentar el uso de refrigerantes con bajo impacto ecológico, siendo las sustancias naturales una de las opciones más eficaces para esta tarea. Por esta razón, es de sumo interés evaluar las condiciones climáticas de cada región para elegir la tecnología de condensación más adecuada

Históricamente, los sistemas de refrigeración por compresión de vapor se han transformado, en gran medida, gracias al surgimiento de tecnologías mecánicas y electrónicas, así como de refrigerantes. El fluido natural de mayor empleo en la actualidad es el amoniaco (NH₃). Pese a su toxicidad, sus propiedades físicas lo convierten en uno de los más versátiles y adecuados para aplicaciones de gran capacidad. Por otro lado, se encuentra el CO₂, que resurge después de un largo tiempo. Este último es empleado en aplicaciones comerciales; sin embargo, se utiliza de forma preponderante en instalaciones de grado semiindustrial e industrial.

Como es sabido, uno de los factores más importantes de los que depende la eficiencia de los sistemas de refrigeración es la presión de condensación, la cual está estrechamente ligada a las condiciones ambientales de la zona de instalación del sistema: a mayor presión de condensación, el compresor requiere de más potencia para generar el efecto frigorífico deseado.

En México, las condiciones de temperatura ambiente oscilan en valores máximos anuales desde 26-27 °C, en ciudades como Toluca, Estado de México; hasta 45 °C en la región norte, como en Mexicali, Baja California; o Hermosillo, Sonora.

De acuerdo con lo anterior, el condensador es uno de los elementos que requiere atención especial, pues tiene impacto directo en la eficiencia del sistema de refrigeración y en el dimensionamiento de la mayoría de los componentes.

Si bien las condiciones atmosféricas rigen en gran medida el diseño de un sistema de refrigeración, existen diferentes alternativas para realizar la condensación del fluido refrigerante de acuerdo con la tecnología de intercambio de calor empleada para dicha tarea.

Las principales soluciones de condensación se clasifican según el mecanismo que emplean. En los sistemas de refrigeración, el aire es el fluido de enfriamiento que, directa o indirectamente, se emplea para realizar el proceso y, a su vez, se combina con el uso de agua para obtener mayores beneficios energéticos. Así, los condensadores, enfriadores y gas coolers se pueden clasificar en secos, adiabáticos y húmedos (evaporativos).

Figura 1. Condensadores secos, adiabáticos y evaporativos

En las Figuras 1 y 2 se aprecia, de lado izquierdo, la tecnología de condensación que opera únicamente con el aire impulsado por los ventiladores; en el extremo derecho, los condensadores evaporativos, los cuales funcionan simultáneamente con agua y aire para obtener el beneficio del efecto evaporativo que implica trabajar bajo condiciones de bulbo húmedo; y en medio se encuentra la tecnología adiabática, con la cual es posible establecer puntos de operación con aire, y emplear agua en función de su disponibilidad y de las condiciones atmosféricas.

Figura 2. Tecnologías de rechazo de calor

¿Qué tecnología de condensación se debe usar para un sistema de refrigeración?

La respuesta se encuentra en el perfil climático de la zona de instalación, la disponibilidad de recursos hídricos y energéticos, y de espacio, entre otras variables que se mencionan a continuación.

Condensadores de NH₃
Los sistemas de refrigeración con amoniaco a menudo utilizan condensadores evaporativos que garantizan presiones relativamente bajas que, a su vez, permiten mantener las eficiencias y dimensiones de los compresores en niveles razonables de tamaño, costo y beneficio frigorífico obtenido.

Un valor comúnmente empleado, en el que las temperaturas máximas ambientales lo permiten, es el de 35 °C de condensación. Si bien puede ser considerado un valor nominal, a menor condición de condensación, el costo energético por unidad de energía frigorífica producida es más bajo, por lo cual es importante conocer cuál es el límite inferior de temperatura de condensación admisible.

A pesar de que energéticamente es benéfico disminuir la presión de condensación, las condiciones de operación requeridas en los sistemas de amoniaco impiden que ésta baje demasiado por aspectos como la disponibilidad de gas caliente para deshielo, la presión necesaria para recorrer distancias de tubería importantes, o el acarreamiento de aceite desde el compresor, por mencionar algunos.

Un valor mínimo de temperatura de condensación tradicional recurrente oscila alrededor de 30 °C. Dicho esto, se puede concluir que los sistemas de refrigeración con NH₃ deben operar, en la medida de lo posible, en estas condiciones.

Como parte de los criterios de diseño de los sistemas de refrigeración, las temperaturas críticas se toman a menudo como base, es decir, las máximas alcanzadas históricamente en la región de instalación. Esto implica que casi en ningún lugar de México sería posible diseñar bajo una temperatura de 30 °C de condensación para amoniaco o cualquier otro refrigerante si dependemos únicamente de la temperatura de bulbo seco del lugar.

Sin embargo, es importante tomar en cuenta que la temperatura máxima de la región de instalación es un valor puntual con periodos de ocurrencia muy cortos, es decir, las condiciones máximas de temperatura ambiente se alcanzan sólo en un bajo porcentaje del tiempo total anual. Por lo tanto, bajo este criterio de selección, los sistemas de refrigeración operan de forma subutilizada la mayor parte del tiempo.

El método sugerido para seleccionar una tecnología de refrigeración es mediante un análisis anual, es decir, simulando la operación del sistema bajo las distintas condiciones ambientales periódicas de la región en cuestión. En términos coloquiales, estar preparado para el peor de los casos puede ser eficaz; sin embargo, uno de los objetivos principales en el diseño de un sistema frigorífico es que sea, además, lo más eficiente posible.

Considerando un análisis anual, si se hace una revisión de la incidencia de temperaturas por año (Figura 3) se puede inferir que en estados como Hidalgo, México, Puebla, Ciudad de México, Querétaro, Tlaxcala y Guanajuato, se puede condensar amoniaco sólo con aire la mayor parte del año en el rango de los 30 °C; sin embargo, sigue siendo necesario que el sistema y la tecnología de rechazo de calor sean elegidos considerando el peor de los casos que, dependiendo de la tecnología, es la condición de temperatura más alta posible de la zona de instalación.

Figura 3. Curva de distribución normal con curva de tendencia de temperatura de bulbo húmedo

Lo anterior es una de las razones por la cuales los condensadores evaporativos tienen mayor auge con el uso de amoniaco, pues trabajar con temperaturas de bulbo húmedo implica desarrollar sistemas más efectivos en cuanto a costos de inversión inicial y consumo energético. Sin embargo, dicha tecnología depende del uso de agua para su operación, y es importante considerar que, en un país como México, las temperaturas de bulbo húmedo a menudo se encuentran en niveles demasiado bajos durante la mayor parte del año en las regiones más pobladas del país, lo cual sugiere que podría suspenderse el uso del agua.

Retomando la pregunta sobre qué tecnología de condensación se debe usar, la respuesta se encuentra en el perfil de incidencia de temperaturas por año, contemplando la temperatura de bulbo seco más crítica y la de bulbo húmedo, es decir, si la temperatura de bulbo seco es por sí misma lo suficientemente baja como para condensar sólo con aire, los condensadores enfriados por aire son la tecnología adecuada para esta región, sin perder de vista los costos de inversión inicial, la disponibilidad de espacio y de recursos energéticos versus la disponibilidad de agua, entre otros.

Por otra parte, si la temperatura de bulbo seco en los puntos críticos del verano supera los 28-29 °C, se debe contemplar el uso de agua como apoyo para mejorar el rendimiento de los sistemas. Sin embargo, a pesar de que los picos de temperatura de bulbo seco superan los 30 °C, en la mayoría del territorio mexicano las condiciones de humedad implican temperaturas de bulbo húmedo muy bajas.

Por ejemplo, si bien en la Ciudad de México las temperaturas máximas llegan a los 32 °C, los niveles de humedad son tan bajos que la temperatura de bulbo húmedo, según esta condición, se encuentra alrededor de los 12 °C; en otras palabras, en el día más caluroso de la ciudad, el bulbo húmedo es tan bajo como 12 °C, por lo que será incluso menor el resto del año.

De acuerdo con este criterio, el uso permanente de agua para evitar el incremento de temperaturas de condensación resulta un tanto excesivo, pues las temperaturas altas ocurren muy pocas horas al año y, al mismo tiempo, las temperaturas de bulbo húmedo son “más bajas de lo necesario” para obtener temperaturas de condensación de, por ejemplo, 30 °C. Esto sucede en gran parte del territorio mexicano, por lo que lo más recomendable es el uso de condensadores adiabáticos.

Esta última solución tiende a ser la más adecuada para el uso racional de los recursos energéticos e hídricos debido a que su versatilidad de operación en modo seco y húmedo permite dimensionar los sistemas de enfriamiento en función del recurso que economiza más convenientemente. Otra característica importante es que el mantenimiento resulta mínimo en comparación con los condensadores evaporativos.

El otro caso sería para las regiones donde el agua no es un recurso escaso y, al mismo tiempo, la temperatura de bulbo húmedo se mantiene en niveles elevados la mayor parte del tiempo, como las zonas costeras de Guerrero, Oaxaca, Yucatán, Quintana Roo, Tamaulipas, entre otros.

En estas regiones, si comparamos las tecnologías, los condensadores enfriados por aire implican presiones de condensación que requerirían compresores y consumos de energía demasiado grandes. Los condensadores adiabáticos tendrían que operar en modo húmedo gran parte del tiempo con consumos grandes de agua, pero sin obtener la totalidad del beneficio que implica humedecer directamente la tubería del intercambiador. Para estos casos, la tecnología adecuada puede ser el condensador evaporativo, mientras la disponibilidad de agua no sea una limitante.

Si bien la selección del condensador adecuado aparenta ser una tarea difícil, para simplificar el proceso, además de evaluar la incidencia anual de temperaturas, resulta conveniente elaborar una curva de optimización de recursos para cada región y cada microclima (Figura 4). Mientras que el análisis anual con la curva de incidencia de temperaturas (Figura 3) indicará los valores máximos y mínimos alcanzables de temperatura ambiente entre bulbo seco y bulbo húmedo, la curva de optimización indicará en qué condiciones es conveniente operar y con qué tecnología de rechazo de calor.

Figura 4. Curva de optimización de recursos del sistema de refrigeración

Curva de optimización de recursos
La curva expresa, de izquierda a derecha, el uso de tecnologías de rechazo de calor, desde seco, para la iteración 1, hasta condensador evaporativo, en la iteración 5. Las iteraciones 2 a 4 corresponden a condensadores adiabáticos con distintos periodos de operación húmeda para considerar tres puntos de variaciones de consumo energético versus consumo de agua.

Entiéndase por iteración la selección de compresores-condensadores de un sistema propuesto de refrigeración. El conjunto de curvas expresa la demanda de potencia de compresión versus el consumo de agua, y permite apreciar de forma visual el consumo de agua y energía en función del desempeño del sistema, contemplando las distintas tecnologías de rechazo de calor (Figura 4).

El punto de cruce entre ambas curvas equivale al conjunto de selección del compresor y de la tecnología de condensador con los cuales se obtienen el menor consumo energético al menor consumo de agua, y se puede identificar como punto óptimo de uso de recursos. Si bien la curva actual tiene el objetivo de optimizar los recursos, ésta estará sujeta a colocar, en los ejes verticales, parámetros distintos de mayor relevancia, basados en la disponibilidad de los recursos más importantes para cada caso, por ejemplo, costos de agua o de energía eléctrica.

Tecnología de rechazo de calor para sistemas con CO₂
El dióxido de carbono es un refrigerante cuyos sistemas de refrigeración son altamente dependientes de lo que ocurre en el condensador para ciclos subcríticos, pero, más aún, del gas cooler para sistemas transcriticos, esto en términos tanto de control como de eficiencia y dimensionamiento del total de componentes. Se trata de un fluido discriminado por la zona geográfica, que a su vez se traduce en temperatura ambiente, establecido para México para operación subcrítica, es decir, sistemas tipo cascada o con CO₂ como refrigerante secundario. Esto se debe a sus condiciones de presión elevadas y a su bajo punto crítico: 31.06 °C a 73.8 bar.

A diferencia de los demás refrigerantes, para sistemas que operan con CO₂ como elemento primario, el control de la presión en el enfriador de fluido supercrítico (gas cooler) es dependiente del coeficiente de desempeño del sistema (COP). Es decir, mientras el resto de los refrigerantes dependen de la temperatura ambiente para asociar una presión de condensación, el CO₂ supercrítico depende, además, de la obtención del valor de eficiencia máximo, pues en la fase supercrítica no existe una asociación directa de presión/temperatura.

Contrario a lo que ocurre con el amoniaco, los condensadores o enfriadores evaporativos no son tan viables para este refrigerante, puesto que sus temperaturas de descarga son demasiado elevadas y las implicaciones en la tasa de evaporación de agua y niveles de incrustación tendrían consecuencias negativas en términos de costos de operación y de mantenimiento en estos sistemas. Esto se debe a que el agua entra en contacto directo con el metal de la tubería.

Si se aplica la curva de optimización para este refrigerante (Figura 5), se encuentra que la tecnología adiabática permite aumentar la viabilidad de su uso, que actualmente compite con los sintéticos, o incluso con amoniaco, en zonas donde los riesgos por la toxicidad limitan el uso de este último.

Figura 5. Curva de comparación de potencia de compresión y consumo de agua para un sistema de refrigeración con CO₂

Además, los enfriadores adiabáticos, al no tener agua en contacto directo con la tubería del intercambiador, evitan el problema de incrustación y, si bien puede llegar a ocurrir en los paneles evaporativos en función de la calidad del agua, basta con remplazarlos para recuperar la totalidad de eficiencia.

Un dato interesante es que, en el momento en que la operación del sistema de CO₂ se vuelve subcrítica (iteración 3 a 5), los valores de eficiencia incrementan ampliamente, aumentando así la viabilidad del uso de este refrigerante natural y volviéndolo competitivo contra otras alternativas de mayor impacto ambiental o con riesgo sanitario.

La operación en modo subcrítico será posible en la mayoría de las zonas del país donde las temperaturas de bulbo seco asciendan hasta valores máximos de 35 °C o inclusive superior, quedando sujeta a la evaluación de que las condiciones de humedad permitan operar temperaturas de enfriamiento de CO₂ del orden de 28 °C o menor, bajo operación húmeda en condensadores/enfriadores adiabáticos.

Para sistemas que operan con CO₂ transcrítico, el objetivo será operar la mayor cantidad de horas posible en modo subcrítico para ahorrar energía.

Un diseño eficaz para cada clima
Las tecnologías de rechazo de calor deben ser elegidas tomando en consideración diferentes criterios, por lo que no es posible establecer cuál es la mejor en términos generales.

La evaluación microclimática basada en la incidencia de temperatura de la zona de instalación es de suma importancia para definir cuál es la mejor alternativa tecnológica para la condensación en un sistema de refrigeración.

Los condensadores enfriados por aire pueden ser utilizados para condensar amoniaco en zonas lo suficientemente frías. Para regiones ligeramente más cálidas, donde el bulbo seco no permite el enfriamiento sólo con aire y, a su vez, el bulbo húmedo es muy bajo, la mejor alternativa son los condensadores adiabáticos.

Similar al caso anterior, los intercambiadores enfriados por aire en sistemas de CO₂ son una opción para operación en transcrítico en periodos cortos del año, y subcrítico la mayor parte, para zonas de temperatura ambiente baja como Toluca y Tlaxcala. Sin embargo, los condensadores adiabáticos permiten operar en subcrítico permanentemente en buena parte del territorio mexicano y reducir la operación transcrítica en zonas más cálidas. Los condensadores evaporativos son una opción poco viable en estos sistemas.

La selección de la tecnología de condensación correcta es un proceso iterativo y comparativo (curva de optimización de recursos) entre los desempeños de un sistema de enfriamiento bajo el uso de las distintas opciones existentes, tomando en consideración costos de instalación, operación y disponibilidad de recursos.

La tecnología adiabática tiende a sobresalir en la mayoría del territorio mexicano por su versatilidad de operación en modo seco o húmedo; además, es funcional para ahorrar agua y energía en sistemas de NH₃, asi como para sistemas de CO₂ transcríticos y subcríticos que dependen de la flotabilidad de la presión en función de la temperatura y eficiencia.

Los condensadores que dependen permanentemente de la operación seca o húmeda tienen aplicación limitada en términos energéticos y ecológicos, además de que son mayormente dependientes de las condiciones críticas atmosféricas del lugar de instalación. Según la región, esto puede implicar el dimensionamiento de sistemas de refrigeración que operan de forma subutilizada, lejos de su punto de eficiencia y del uso óptimo de recursos durante gran parte del tiempo.

Referencias:

Raúl Alanis (2019, diciembre 06). Aclimatados para la eficiencia: seco, adiabático y evaporativo. Revista Mundo HVACR.

 

 

 

La conservación de los alimentos siempre ha sido un proceso delicado. Para evitar su contaminación se ha diseñado o adaptado tecnología que cumple con los requisitos necesarios para garantizar la inocuidad de los alimentos: las salas blancas.

Los hongos, los virus y las bacterias necesitan de ciertas condiciones de temperatura, humedad y presencia de material biológico para poder sobrevivir. Los alimentos reúnen estas condiciones y de ahí surge la necesidad de desarrollar tecnologías para su conservación que consiste en evitar la contaminación, principalmente. A nivel industrial se debe asegurar la inocuidad de los alimentos estableciendo puntos de control que permitan tener la suficiente seguridad de que no se han contaminado.

El procesamiento de productos alimenticios en salas blancas (también llamadas salas limpias) es el método óptimo para el control de microorganismos que pueden afectar la calidad de la comida. Estos cuartos están especialmente diseñados para lograr niveles muy bajos de contaminación, por lo que el control de la calidad del aire es estricto. De este modo, se dispone de un espacio en la línea de producción donde pueden llevarse a cabo determinados procesos y operaciones de forma segura, evitando cualquier tipo de contaminación. En una sala blanca, además, se minimiza la introducción, generación y retención de partículas en todo momento.

Cada tipo de producto a procesar requiere de condiciones especiales de temperatura, humedad, velocidad, concentración de gases y partículas del aire que no sólo garantizan la inocuidad del producto, sino el confort de las personas que trabajan allí adentro. Esto sin mencionar la iluminación y el ruido, los cuales son materia de otros análisis.

Lo anterior lleva a pensar que es necesario un dispositivo o sistema que continuamente retome el aire, lo acondicione y, posteriormente, lo recircule en los cuartos. Este dispositivo suele ser una manejadora de aire (AHU, por sus siglas en inglés) que funciona de modo similar a las de tipo comercial, pero se le agregan otras características para cumplir con las especificaciones requeridas por una sala blanca.

El aire dentro de una sala limpia debe tener ciertas características determinadas por el proceso y por las normas que protegen tanto el bienestar como la seguridad de los ocupantes. Las manejadoras de aire controlan cuatro variables principales.

1. Temperatura
   Es bien conocido que las bajas temperaturas merman la actividad biológica; por esto, es el método industrialmente preferido para limitar el crecimiento de hongos y bacterias en los alimentos. Cabe recordar que la temperatura de una sala de proceso depende no sólo del producto, sino también de la seguridad y confort de los trabajadores. Por lo general, las plantas procesadoras de alimentos usan temperaturas entre 6 Cº y 10 ºC. Este rango térmico se considera apto para el producto y no es muy bajo para los trabajadores cuando cuentan con los elementos de protección adecuados. Las manejadoras de aire tienen un serpentín que enfría el aire. El aire en su recorrido por la sala gana temperatura por efecto de una mayor temperatura exterior, calor proveniente de las pérdidas en los motores, de la iluminación y de la presencia de personas, principalmente. Cuando el calor generado dentro de la sala significa un incremento de la temperatura se le denomina calor latente.
2. Humedad
   Los hongos y las bacterias, como la gran mayoría de los seres vivos, requieren agua para sobrevivir. Desde el punto de vista de la distribución de agua, el mejor mecanismo es transportándose por medio del aire en forma de vapor. Cuando el aire tiene espacio para albergar vapor de agua se dice que el aire es seco o que tiene baja humedad relativa. A medida que el aire seco va alojando vapor de agua se va saturando y pierde la capacidad de albergar más vapor. En este caso el aire es húmedo o tiene una humedad relativa alta. El aire húmedo puede perder vapor de agua condensándolo; esto se logra al estar en contacto con una superficie fría, abajo del punto de rocío.

Sin embargo, en el caso de las salas blancas, si esta condensación ocurre en cualquiera de las superficies tenemos un foco para el crecimiento de microorganismos. En consecuencia, es preferible que el aire que circula dentro tenga una baja humedad, no sólo para evitar la

condensación en las superficies sino para que tenga un buen potencial de absorber humedad de diferentes fuentes, como lo son el agua remanente en piso y paredes por la limpieza, la humedad del producto, la respiración de las personas y el vapor de agua que se pueda usar dependiendo del proceso. Es aceptable que la humedad relativa esté entre el 60-70 por ciento, valores más bajos de humedad relativa significan un riesgo para la calidad del producto (pérdida de humedad) y para las personas que trabajan dentro de la sala (problemas respiratorios).

3. Flujo de aire
   La cantidad de aire que circula por una sala blanca tiene dos componentes: aire recirculado y aire exterior. El aire recirculado es el mínimo flujo que debe circular por la sala para remover humedad, concentración de gases, partículas y microorganismos de la sala para llevarlos después a la manejadora de aire.

Como regla general, si el rango de temperatura de la sala es de 6 ºC a 10 ºC, el volumen de aire de la sala debe circular de 20 a 30 veces por hora. Valores menores a este rango no aseguran que el aire remueva la contaminación de manera eficaz. Valores mayores, en cambio, significan un alto consumo de energía por parte de los ventiladores y probablemente incomodidad para las personas que trabajan dentro, ya que el alto flujo de aire implica altas velocidades. 

Suministrar aire exterior es necesario para eliminar la concentración de gases, los cuales no pueden ser retenidos en los filtros, y para generar una presión positiva. Respecto a la presión positiva, ésta resulta muy útil para controlar la calidad del aire dentro del cuarto de proceso, ya que asegura que el aire exterior sin filtrar entre por las ventanas, puertas y demás puntos en contacto con el exterior. Es decir, si se toma aire exterior, se acondiciona (temperatura, humedad y filtración) y se suministra a la sala blanca generando una presión positiva respecto a la exterior, no será posible que el aire sin acondicionar entre por medio de las puertas y ventanas. La cantidad de aire exterior a suministrar depende de las características del proceso como el tipo de producto (por la concentración de gases), las características de la habitación (cantidad de puertas y ventanas, calidad del aire que se pudiera infiltrar) y el número de personas que trabajan adentro (concentración de CO₂).

Se podría pensar que sería mejor renovar el 100% del aire de la sala, es decir, que todo el aire que circula sea tomado del exterior para ser acondicionado y luego eliminado por algún ducto de extracción para tener un aire muy limpio, pero esto no resulta económico ya que los costos de la refrigeración asociados a bajar la temperatura y humedad del aire exterior resultan por lo general muy altos, especialmente en épocas de verano. Por lo anterior, se aprovecha parte del aire que está a baja temperatura y tiene baja humedad para recircularlo dentro de la sala. Las tasas de aire exterior varían típicamente entre el 0 y el 20 por ciento, respecto al caudal de aire que circula al interior.

Filtración del aire en una sala blanca

1. 4. Filtración
      Como se ha mencionado, unos de los propósitos del acondicionamiento del aire es la filtración para remover partículas y microorganismos. Existen muchos tipos de filtros de acuerdo con las diversas necesidades de proceso y una guía para la selección del filtro apropiado se puede encontrar en la norma ASHRAE 52.2. Un filtrado de baja eficiencia puede permitir el paso de partículas sólidas. Un filtrado de muy alta eficiencia puede retener microorganismos e incluso virus, pero va a tener la tendencia a taponarse muy rápido si las condiciones de operación son muy agresivas. Esto último es muy peligroso, dado que muchas veces los filtros se rompen y el aire se suministra a la sala sin filtrar generando una aspersión de hongos, bacterias y virus por toda la sala sin una advertencia a tiempo.   

Flujo y circulación del aire en una manejadora de aire

Psicrometría
De manera general, los procesos psicrométricos involucrados en el acondicionamiento de aire para una sala blanca son los siguientes:

• Paso de aire por la sala blanca (AI1 – AA). El aire se suministra a la sala blanca a unas condiciones de temperatura y humedad (AI1) de modo que el calor sensible (Qs) y el calor latente (Ql) que se adiciona en su paso por el espacio hacen que quede en el estado AA, que es el deseado para el proceso (de 6 ºC a 10 Cº, y de 60 a 70 por ciento de humedad relativa). El estado AI1 debe calcularse de tal manera que el flujo de aire de recirculación sea el adecuado para que la temperatura AI1 no resulte muy baja, lo cual puede incomodar a los trabajadores en las zonas donde se suministra el aire. Por lo general, se calcula para un rango entre 3 ºC y 7 ºC, pero esto también debe quedar en concordancia con los 20 a 30 cambios de aire por hora recomendados.
• Mezcla de aire (AA + AE = AM). El aire de la sala blanca retorna a la manejadora y, como se mencionó antes, es necesario adicionar aire exterior para controlar la concentración de gases y/o presurizar la sala. La adición de las corrientes de aire ocurre en la caja de mezcla (MB). La temperatura del aire mezclado (AM) está entre la temperatura del aire de retorno (AA) y la del aire exterior (AE). Entre más aire exterior se suministre (AE), la temperatura del aire mezclado (AM) va a parecerse más a la del aire exterior (AE) y será más difícil enfriarlo en las etapas posteriores.
• Ventilación. Para que el aire circule por la sala blanca y por la propia manejadora es necesario que sea impulsado por un ventilador (fan) que incrementa la presión del aire. Esta adición de energía cinética al aire le implica una pequeña elevación de temperatura que también hace parte de la carga térmica (calor sensible) a remover en la manejadora. Es importante tener en cuenta que la relación de variación en el flujo de aire incrementa a la tercera potencia el consumo de energía del ventilador y, por lo tanto, se debe tener mucho cuidado a la hora de calcular el caudal.
• Enfriamiento de aire. El aire mezclado y luego impulsado por el ventilador (AM1) debe enfriarse en un serpentín que puede usar agua, alguna salmuera o refrigerante directo, (dependiendo de las especificaciones del proceso). Este serpentín también es el encargado de remover la humedad del aire, la que ganó por efecto del calor latente (Ql). El mecanismo consiste en que la superficie de este serpentín esté por debajo de la temperatura a la cual se condensa el vapor de agua siguiendo la relación del Factor de Calor Sensible (FCA) del proceso. A esta temperatura se le conoce como aparatus dew point (ADP). Esta temperatura se determina mediante iteraciones en una carta psicrométrica o programas de cálculos psicrométricos. Si en su paso por la sala el aire ganó mucha humedad, el ADP va a ser muy bajo y probablemente no se pueda usar agua como refrigerante indirecto (su punto de congelación es de 0 ºC). En este caso una salmuera o refrigerantes que sean líquidos por debajo del ADP serán los utilizados para retirar el calor del aire. Como caso particular, si el aire gana muy poca humedad en su paso por la sala, el calor latente es casi nulo y la temperatura de la superficie del serpentín se va a aproximar a la temperatura de rocío del aire. El serpentín además de estar por debajo del ADP, debe tener la suficiente área para condensar el vapor de agua, la cual cae por gravedad hacia los drenajes de la manejadora para removerla de la corriente de aire.

Calentamiento de aire. El aire que sale del serpentín de enfriamiento (AI) estará frío y seco. El problema ahora es que la temperatura puede ser menor que la que necesita la sala (AI1). Si esto ocurre será necesario calentarlo un poco con otro serpentín, pero de calentamiento. Para elevar la temperatura del aire se puede usar agua caliente, gas caliente del sistema de refrigeración, o bien, vapor de agua en algunas ocasiones. El uso de vapor de agua requiere de sistemas de control muy precisos, ya que tiene una temperatura cercana a los 100 ºC y el flujo debe ser muy pequeño para llevar el aire; por ejemplo, de -2 ºC a 3 ºC. El aire a la salida del serpentín de calentamiento (AI1) estará listo para ingresar a la sala blanca; aire frío, seco, filtrado con una baja concentración de gases y presurizado para que parte de él salga por puerta y ventanas, lo que evita el ingreso de aire contaminado por estos puntos no controlados.

Enfriamiento y calentamiento del aire

Consideraciones adicionales
Además de los procesos psicométricos mencionados, la manejadora debe ajustarse a ciertos requerimientos técnicos para que sea funcional dentro del proceso. Desde luego estos requerimientos se relacionan con las condiciones de higiene. El Instituto Americano de la Carne resume los diez principios que deben cumplir los equipos que funcionen dentro de una sala blanca:

1. El equipo debe estar construido de tal manera que garantice una limpieza eficaz y eficiente durante su vida útil. Debe diseñarse de manera que evite la entrada, la supervivencia, el crecimiento y reproducción de microorganismos en superficies con o sin contacto con el producto.
2. Los materiales de construcción utilizados para las manejadoras deben ser compatibles con el producto, el medioambiente, los productos químicos, además de los métodos de limpieza y desinfección.
3. Todas las partes del equipo deben ser fácilmente accesibles para inspección, mantenimiento, limpieza y saneamiento sin el uso de herramientas.
4. El sistema debe ser autodrenante para asegurar que el líquido, susceptible de albergar o promover el crecimiento de bacterias, no se acumula ni condensa en el equipo.
5. Las áreas huecas del equipo, como los bastidores, deben eliminarse siempre que sea posible o sellarse permanentemente. Los pernos, espárragos, soportes, cajas de conexiones, placas de identificación y otros elementos tienen que soldarse continuamente a las superficies en vez de sujetarse con orificios perforados.
6. Las piezas del equipo deben estar libres de nichos como hoyos, grietas, corrosión, uniones abiertas, uniones traslapadas, rebordes sobresalientes, roscas interiores y remaches de pernos.
7. Durante las operaciones normales, el equipo debe funcionar de manera que no contribuya a condiciones insalubres o al refugio y crecimiento de bacterias.
8. Los gabinetes de mantenimiento, las interfaces hombre-máquina, los botones pulsadores, las válvulas y los interruptores deben diseñarse para garantizar que los residuos del producto o el agua no penetren ni se acumulen en sus superficies. Además, el diseño físico de los recintos tiene que ser inclinado para evitar que sea un área de almacenamiento o punto de acumulación de residuos.
9. Los equipos que requieren subsistemas adicionales, como sistemas de extracción, drenaje o limpieza automatizada, no deben significar un riesgo sanitario. Lo anterior debe considerarse dentro del diseño de los conductos de escape, las líneas de drenaje y los sistemas CIP para el proceso. Los principios 1 a 8 son la base para completar los elementos de este punto.
10. Los procedimientos de limpieza y saneamiento deben estar claramente especificados y deben ser efectivos y eficientes. Los productos químicos recomendados para limpieza y saneamiento tienen que ser compatibles con el equipo.

Manejadora de aire modelo Frick® para sala de procesos

Por otro lado, las manejadoras de aire en las salas blancas se pueden equipar con accesorios adicionales de acuerdo con los requerimientos del proceso:

• Intercambiadores de calor aire-aire: se usan para aprovechar la alta temperatura del aire de retorno para el calentamiento del aire luego de salir del serpentín de enfriamiento. Esto mejora la eficiencia de la manejadora.
• Ruedas de deshumidificación desecante: este dispositivo es complementario al serpentín de enfriamiento. Ahorra energía en la deshumidificación del aire usando materiales higroscópicos que transportan la humedad al exterior después de saturarse.
• Humidificación por vapor o aerosol: en el caso que no haya fuentes de humedad dentro de la sala, el proceso de enfriamiento podría retirar la poca humedad del aire y sería necesario adicionar agua en forma de vapor o aerosol para mantener una humedad relativa adecuada dentro de la sala.
• Limpiadores (quemadores) de aire/filtros ultravioleta
• Sistemas de limpieza en el lugar (CIP)

Como se ha visto, el diseño y la selección de equipos de acondicionamiento del aire para salas blancas es un proceso complejo que requiere de la intervención de especialistas que encuentren la mejor solución desde el punto de vista técnico y económico.

Referencias:

Daniel Rodríguez (2021, enero 15). Manejo del aire en salas blancas. Revista Mundo HVACR.