REFRIGERACION APLICADA A LA INDUSTRIA DE ALIMENTOS

Transcripción

1 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS INGENIERIA Y TECNOLOGIA PROGRAMA DE INGENIERIA DE ALIMENTOS REFRIGERACION APLICADA A LA INDUSTRIA DE ALIMENTOS JAIME ERNESTO NARVAEZ VITERI (Director Nacional) LUCAS QUINTANA (Acreditador) SAN JUAN DE PASTO Julio de 2009

2 ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO El módulo de Refrigeración Aplicada en la Industria de Alimentos fue diseñado en el año 1995 por el Ingeniero de Alimentos, Doctor Jaime Alberto Leal Afanador y editado por la Editorial Unisur Bogotá. Las actualizaciones del material fueron llevadas a cabo en el año 2005 por el Ingeniero Salomón Gómez Castelblanco y en Julio del 2009 por el ingeniero Jaime Ernesto Narváez Viteri, Especialista en Ecología y Gestión Ambiental y Especialista en Docencia Universitaria. Este modulo es acreditado por el Ingeniero Lucas Quintana

3 INTRODUCCIÓN El curso de refrigeración aplicada en la industria de alimentos es un curso electivo para los programas de ingeniería de alimentos y la especialización en procesos en alimentos y biomateriales que fundamenta el procedimiento tecnológico de enfriamiento y congelación de los alimentos para su manejo, adecuación y conservación a largo plazo. Se desarrollan los conceptos con un fundamento físico sobre la termodinámica de refrigeración y las transformaciones implicadas. Se presentan los métodos de producción de frío con una visión científica-tecnológica, describiendo los equipos principales en las instalaciones frigoríficas. Se tratan las características de los fluidos frigoríficos, y la problemática con respecto al medio ambiente. Interesan las aplicaciones de la tecnología del frío y de sus métodos a la industria alimentaria. En este curso el estudiante tendrá la oportunidad de integrar y aplicar muchos de los conocimientos adquiridos en otros cursos anteriores especialmente de: química, matemáticas, principios de transferencia y calor, balance de materia y energía algunos aspectos de índole económicos y de calidad lo cual le permitirá encontrar la utilidad de los conocimientos aprendidos en anteriores semestres y lo motivará acceder a los nuevos conocimientos con mayor interés, logrando un aprendizaje significativo y permanente. Para que el estudiante pueda abordar el estudio del curso, se propondrán diferentes actividades de aprendizaje que involucren las fases de reconocimiento, (conocimientos y experiencias previas), profundización ( manejo de conceptos y teorías) y transferencia( aplicación del conocimiento en un contexto), para lo cual contarán con el recurso didáctico y tecnológico con el fin de fortalecer su auto aprendizaje y adquirir las competencias cognitivas, meta cognitivas y contextuales a través del estudio del curso acorde con las intencionalidades y metas del curso. La primera unidad didáctica pretende que el estudiante reconozca los conceptos termodinámicos básicos que explican el frío y la generación de frío en procesos de refrigeración, congelación y generación de efectos combinados con atmósferas modificadas y controladas.

4 El modulo orienta aspectos prácticos que se deben tener en cuenta durante el diseño, construcción, selección de espacios de almacenamiento que utilicen bajas temperaturas. La segunda unidad introduce al estudiante a la identificación de las características, efectos del frío y su relación con la vida útil de los productos de origen vegetal y animal al ser sometidos a refrigeración, congelación y ultracongelación o a la aplicación de atmósferas modificadas y controladas. La estrategia principal es darle a los estudiantes las herramientas fundamentales, para que en la medida que desarrolle todas las actividades propuestas en la guía didáctica que acompaña este curso, logre comprender, asimilar, aplicar y transferir el conocimiento en el análisis de casos reales que se presentan en la industria de alimentos, en lo relacionado con los procesos de refrigeración, a los cuales más adelante como Tecnólogo e Ingeniero de alimentos tendrá que afrontar como una de sus responsabilidades más importantes en su profesión, como es la obtención de alimentos inocuos y seguros para el consumidor. En resumen se pretende que el estudiante además de aprender los principios y las normas relacionadas con la refrigeración de los alimentos, tome conciencia de su importancia y la apliquen desde un sentido de honestidad, ética y responsabilidad, en todo el trayecto de su vida personal y profesional. Para el desarrollo de este material se tomó como insumo el módulo de Refrigeración Aplicada en la Industria de Alimentos, elaborado en 1995, por el Ingeniero de Alimentos Jaime Alberto Leal Afanador. Sobre este material se realizó un proceso de revisión, ajuste y complementación de las temáticas tratadas para cumplir con los objetivos inicialmente planteados, y proporcionar los fundamentos de la temática, obteniéndose un nuevo material según los lineamientos académicos de la UNAD.

5 INDICE DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN UNIDAD 1 GENERACION DE FRIO OBJETIVOS AUTOEVALUACION INICIAL CAPITULO 1. CONCEPTOS BASICOS Lección 1: Estados de la materia Lección 2: Termodinámica, Segunda Ley. Lección 3: Ciclos de refrigeración Lección 4: Ciclo Simple de refrigeración Lección 5: Ciclo de refrigeración en dos etapas con recirculación de líquido. CAPITULO 2. FUNDAMENTOS DE LA REFRIGERACION Y LA CONGELACION Lección 1: Generalidades. Refrigeración mecánica Lección 2: Coeficientes de funcionamiento Lección 3: Refrigerantes Lección 4: Congelación Lección 5: Atmósferas Controladas y modificadas. CAPITULO 3. FUNDAMENTOS TECNICOS PARA EL CALCULO DE UN CUARTO DE REFRIGERACION Lección 1: Cagas de enfriamiento Lección 2: Cálculo de cargas de enfriamiento Lección 3: Condiciones para el manejo del equipo Lección 4: Diseño de accesorios Lección 5: Condiciones de equipamento EVALUACION DE LA UNIDAD 1 BIBLIOGRAFIA

6 UNIDAD 2. LAS BAJAS TEMPERATURAS EN ALIMENTOS DE ORIGEN ANIMAL Y VEGETAL. CAPITULO 4. EFECTOS DEL FRIO EN LA VIDA POSTCOSECHA DE FRUTAS Y VERDURAS. Lección 1: El proceso de transpiración. Lección 2: El proceso de respiración. Lección 3: El proceso o fenómeno de maduración Lección 4: Alteraciones fisiológicas ligadas al frío Lección 5: Condiciones básicas para el manejo refrigerado de frutas y verduras. CAPITULO 5: APLICACIÓN Y EFECTOS DEL FRIO EN PRODUCTOS DE ORIGEN ANIMAL. Lección 1: Acción del frío sobre las reacciones químicas y bioquímicas. Lección 2: Microbiología de la carne congelada Lección 3: Pérdidas de peso durante la congelación, almacenamiento y descongelado. Lección 4: Características organolépticas y nutricionales de las carnes congeladas Lección 5: Atmósferas modificadas en productos mínimamente congelados CAPITULO 6. MANEJO Y TRANSPORTE DE PRODUCTOS PERECEDEROS Lección 1: Refrigeración durante el transporte y distribución de productos Lección 2: Requerimientos de frío por grupos de productos Lección 3: Coeficientes de enfriamiento Lección 4: Ejercicios de aplicación directa de productos procesados Lección 5: Experiencias en Frigoríficos. EVALUACION DE LA UNIDAD 2 BIBLIOGRAFÍA

7 LISTADO DE TABLAS 1. Calores específicos de algunos alimentos 2. Factores de conductividad térmica de algunos materiales comunes 3. Clasificación de los Refrigerantes 4. Efectos fisiológicos de los Refrigerantes 5. Análisis comparativo de factores variables según uso de la congelación ultrarrápida o de la congelación lenta. 6. Coeficientes de transmisión de calor, U, para cuartos de almacenamiento refrigerado. 7. Coeficientes de transmisión de calor, U, para cuartos fríos. 8. Coeficientes de transmisión de calor, U, para cuartos de almacenamiento 9. Conductividad térmica de materiales usados en paredes de cuartos de refrigeración. 10. Calor equivalente de motores eléctricos 11. Equivalentes de calor por persona dentro del espacio refrigerado. 12. Déficit DPVA, a HR inferiores al 100% 13. Pérdida media de peso en la aparición de síntomas de arrugamiento de frutas y hortalizas ( % ) 14. Efectos de la temperatura sobre la intensidad de respiración y de deterioro de la calidad en el período de conservación. 15. Respiración y producción de etileno en frutas 16. Clasificación de productos hortofrutícolas según su producción de etileno 17. Efectos de la temperatura sobre la conservación de hortalizas 18. Síntomas de la alteración por frío ( Chilling injury ) en algunas frutas y hortalizas. 19. Las técnicas de enfriamiento de productos vegetales 20. Relación entre el sistema de acondicionamiento en el envase y el embalaje y el tiempo de semienfriamiento. 21. Pérdidas de enfriamiento y pérdidas de peso en el túnel de aire

8 22. Datos térmicos de la aplicación del hydrocooling a los productos hortofrutícolas. 23. Datos térmicos de la aplicación del vacuum cooling a hortaliza 24. Pre-refrigeración de productos vegetales Adaptación de los productos vegetales a la pre-refrigeración Recomendaciones generales para la pre-refrigeración Tratamientos para permitir la importación de carne de cerdo de países donde existe riesgo detriquinosis Francia e Italia. 28. Pérdidas de masa por evaporación durante la congelación 29. Pérdidas de masa durante el embalaje 30. Pérdidas de masa según Kallert Freischmann 31. Pérdidas a la congelación 32. Pérdidas durante el almacenamiento 33. Pérdidas de masa media durante la cocción después de un almacenamiento de 12 meses, estimados en % en peso. 34. Vitaminas del complejo B que pasan al exudado en el momento de descongelar carne de res. 35. Concentración en vitaminas en la carne y en el jugo de cocción 36. Temperaturas y Humedales recomendadas para la protección de una selección de carnes frescas, curadas y procesadas.

9 LISTADO DE GRÁFICOS Y FIGURAS 1. Presión vs Entalpía 2. Ciclo Simple de Refrigeración mecánica 3. Diagrama Presión del Refrigerante vs Nivel de Energía Entalpía 4. Ciclo de Refrigeración de dos etapas con recirculación de líquido 5. Ciclo de Refrigeración de dos etapas con recirculación de líquido 6. Diagrama presión de amoniaco 7. Diagrama Presión vs Amoniaco 8. Sistema de Refrigeración 9. Esquema Ciclo de Refrigeración 10. Esquema General Máquina Frigorífica 11. Esquema de una Bomba de calor 12. Congelación del Agua Pura 13. Congelación de una muestra de carne 14. Aspecto General de una congelación en el aire (Túnel) 15. Crecimiento de los cristales de hielo en la congelación de un músculo 16. Influencia de la velocidad de congelación respecto al tamaño y localización de los cristales en músculo congelado. 17. Proporción del contenido de agua en alimentos según su temperatura 18. Congelación de aire por cámara 19. Congelador de cinta transportadora 20. Congelador de placas 21. Esquema de funcionamiento de una instalación criogénica con nitrógeno líquido

10 22. Congelador con nitrógeno líquido 23. Congelador de hidrocarburo halogenado líquido 24. Túnel de congelación con CO2 25. Influencia del tipo de congelación sobre la velocidad de congelación 26. Calibradores de presión en cámaras de atmósferas controlada 27. Curvas de los ensayos presión vs depresión 28. Transferencia de calor a través de paredes. 29. Representación esquemática funciones en una pera 30. Cambios internos de las frutas durante el proceso de traspiración 31. Ejemplos de patrón respiratorio de las frutas 32. Representación esquemática de los efectos de los rangos de temperatura sobre los productos hortifrutícolas 33. Determinación de la actividad respiratoria 34. Efectos del Etileno durante la maduración 35. Variación del tiempo de conservación a distintas temperaturas de vegetales no sensibles. 36. Múltiplos de enfriamiento requeridos para disipar varias fracciones de calor de campo inicial desde el producto. 37. Túnel discontinuo de tres celdas 38. Unidad portátil de enfriamiento en cámara frigorífica por aire forzado en depresión. 39. Unidad permanente de túnel de aire forzado en depresión, en el interior de una cámara frigorífica. 40. Sistema de enfriamiento por flujo horizontal de aire 41. Instalación de hidrocooling con prerefrigerador continuo. 42. Esquema de tipo inundado de Hidrocooler

11 43. Tiempo de semienfriamiento de melón en función del calor de agua 44. Comportamiento de hortalizas en el vacuum-cooling 45. Ejemplo práctico de enfriamiento bajo vacio 46. Efecto de la velocidad de evacuación para alcanzar el flashpoint 47. Pérdida de peso en relación con el descenso de temperatura, en el enfriamiento bajo vacio 48. Perspectivas de un Box-Icer 49. Perspectivas de un Pallet Icer 50. Sistema de enfriamiento por agua enfriada pulverizada 51. Sistema de obtención de aire frío de elevada humedad 52. Influencia de la congelación y del almacenamiento sobre una población microbiana. 53. Pérdidas de masa para diferentes temperaturas de almacenamiento.

12 UNIDAD 1 Nombre de la Unidad Introducción GENERACION DE FRIO En la industria de alimentos existe la necesidad de adquirir y conocer los diversos procesos de refrigeración que se manejan a nivel industrial y a nivel comercial por lo tanto estas técnicas mantienen inalterables las características físicas, químicas, microbiológicas y organolépticas de los productos alimenticios, por largos períodos de tiempo. En la vida profesional se encontraran con el reto de asumir este tipo de conocimiento, en refrigeración, para poderlo enfrentar necesitamos una serie de conocimientos y herramientas que son presentados en forma sencilla para que sean apropiados con facilidad. En el primer capítulo tenemos una recapitulación de los conceptos básicos, se define lo que es un refrigerante, se fundamenta los conceptos de congelación y sus técnicas y también sus mecanismos de control. En el segundo capítulo encontramos la aplicación de las bajas temperaturas en los diversos productos alimenticios ya sean de origen animal o vegetal teniendo como base el efecto del frío, sus alteraciones fisiológicas y su microbiología aplicada a los diversos alimentos. El tercer capítulo se fundamenta al estudiante en los cálculos de un cuarto frío, utilizando diversos criterios de diseño e identificando condiciones internas y externas tanto del producto como del entorno ambiental.

13 Justificación El avance de la globalización del mercado y la comercialización de alimentos congelados exige competitividad para comercializar productos agroalimentarios que cumplan con la exigencia de los clientes: la calidad alimentaria: es por esto que el ingeniero de alimentos egresado de la UNAD necesita saber, conocer y aplicar cada una de las estrategias de aplicación de los diferentes sistemas de refrigeración para entrar a competir día a día en los mercados estratégicos. Intencionalidades Formativas PROPÓSITO Lograr que el estudiante conceptualice, se apropie y aplique los conocimientos y transfiera a su contexto, las implicaciones, requisitos, planeación, puesta en marcha, validación y verificación de los diferentes sistemas de refrigeración con un enfoque positivo hacia la adecuada congelación y hacia la calidad de un producto alimenticio desde el punto de vista de su conservación como producto inocuo (sano y seguro para la salud del consumidor) y de sus características técnicas y organolépticas. Motivar al estudiante para que emprenda el estudio del curso conociendo los beneficios, desde el punto de vista temático y como herramienta útil para aplicar esos conocimientos en contextos reales, a los cuales tendrá que enfrentarse más adelante como profesional.. Contribuir a la formación integral, mediante la aplicación de estrategias de aprendizaje que conllevan al desarrollo de competencias cognitivas, metacognitivas, sociocomunicativas y recontextuales. OBJETIVOS GENERAL. Reconocer los conceptos básicos fundamentales sobre refrigeración especialmente conceptos termodinámicos que sustentan el empleo del frío en la industria de alimentos. OBJETIVOS ESPECIFICOS 1. Describir los principales controles de flujo en un sistema de refrigeración.

14 2. Identificar las principales características y efectos de la congelación especialmente en productos de origen animal. 3. Enumerar los efectos y el comportamiento de los productos vegetales al ser tratados por las técnicas de refrigeración y congelación. COMPETENCIAS 1. El estudiante adquiere una actitud de compromiso y responsabilidad en su futuro profesional como Ingeniero de Alimentos. 2. El estudiante es capaz de iniciar el proceso de montaje y puesta en marcha de procesos de refrigeración. 3. El estudiante puede asesorar el proceso de instalación de cuartos fríos y de sistemas de congelación. Denominación de los capítulos 1.1 CONCEPTOS BASICOS 1.2 FUNDAMENTOS DE LA REFRIGERACION Y LA CONGELACIÓN. 1.3 FUNDAMENTOS TECNICOS PARA EL CALCULO DE UN CUARTO DE REFRIGERACION. CAPITULO 1. CONCEPTOS BASICOS Introducción En este capítulo se tratarán temas muy importantes como: Los estados de la materia, sus relaciones y cambios; se conceptúa sobre termodinámica principalmente el aporte de la Segunda Ley de la Termodinámica y se profundiza sobre los ciclos de Refrigeración en especial el ciclo simple y el ciclo en dos etapas con recirculación de líquido.

15 Lección 1: Estados de la Materia. Toda la materia conocida, existe en una de las tres formas físicas o estados: Sólida, líquida o gaseosa. La materia en estado Sólido, mantiene su cantidad, forma y dimensiones físicas. La materia en estado Líquido, mantiene su cantidad y tamaño pero no su forma. El liquido siempre toma la forma del recipiente que lo contiene. La materia en estado Gaseoso, no tiene una tendencia a retener ni el tamaño ni la forma. Movimiento molecular Toda la materia se compone de pequeñas partículas llamadas moléculas y la estructura molecular de la materia puede posteriormente romperse en átomos. Cuando se aplica energía calorífica a una sustancia, se incrementa la energía interna de las moléculas, lo cual aumenta su desplazamiento o velocidad de movimiento; hay también un incremento en la temperatura de la sustancia. Cuando se retira calor de una sustancia se presenta una disminución en la velocidad del movimiento molecular y también un descenso en la temperatura de la sustancia. Cuando se retira calor de una sustancia se presenta una disminución en la velocidad del movimiento molecular y también un descenso en la temperatura de la sustancia.

16 Cambio de estado Cuando una sustancia sólida se calienta, el movimiento molecular es principalmente en la forma de rápido movimiento vibratorio, no desplazándose nunca las moléculas de su posición normal u original. Pero en alguna temperatura dada, una sustancia en particular, la adición posterior de calor, no necesariamente incrementará el movimiento molecular dentro de la sustancia; en su lugar, el calor adicional causará que algún sólido se fusione (Cambia a líquido). Así el calor adicional causa un cambio de estado en el material. Es así como el calor puede cambiar la temperatura y el estado de las substancias y también pueden ser absorbidos aún cuando no exista cambio de temperatura, como cuando un sólido cambia a líquido, o cuando un líquido se cambia a vapor. Cuando el vapor se vuelve líquido, o cuando el líquido vuelve a transformarse en sólido, se despide la misma cantidad de Calor. El ejemplo más común de este proceso es el agua, que existe como líquido y que puede existir como sólido forma de Hielo y como Gas cuando se trasforma en Vapor. Como hielo, es una forma de Refrigeración, absorbiendo calor mientras se derrite a una temperatura constante de 0ºC (32ºF). Si se coloca agua en un recipiente abierto y se pone al fuego, su temperatura aumentará a la temperatura de ebullición o sea 100ºC al nivel del mar (212ºF). Sin importar la cantidad de calor aplicado, la temperatura no puede subir arriba de 100ºC, porque el agua se estaría evaporando constantemente. Si este vapor pudiera ser retenido en el recipiente evitando la ebullición y se continuará agregando calor, entonces la temperatura podría nuevamente aumentarse. Obviamente, el proceso de evaporación o ebullición estará absorbiendo el calor y manteniendo la temperatura a 100ºC. Cuando el vapor se condensa nuevamente formando agua, despide exactamente la misma cantidad de calor que absorbió al evaporarse. Si el agua se congela, debe extraerse la misma cantidad de calor que fue absorbida en el proceso de descongelamiento por medio de algún proceso para la congelación. Generalmente los usuarios confunden la palabra refrigeración con frío y con enfriamiento; sin embargo, la práctica de ingeniería de refrigeración, trata casi enteramente con la transmisión de calor. Esta aparente paradoja es uno de los conceptos fundamentales que deben ser comprendidas para entender la operación de un sistema de refrigeración.

17 En conclusión los estados de la materia son sólido, líquido y gaseoso. Cada estado tiene sus características y funcionalidades específicas. Se debe precisar que pasa cuando ocurre un cambio de estado, que pasa cuando una de las variables como temperatura cambia en un producto alimenticio, que efectos ocurren y cómo enfrentar técnicamente un salto térmico, esto lo irá resolviendo el estudiante a través de la comprensión de las temáticas descritas en el módulo. Lección 2: Termodinámica Segunda Ley de la Termodinámica La termodinámica es una rama de la ciencia que trata sobre la acción mecánica del calor. Hay ciertos principios fundamentales de la naturaleza, llamadas leyes termodinámicas, que rigen nuestra existencia aquí en la tierra, varios de los cuales son básicos para el estudio de la refrigeración. La primera y la más importante de estas leyes dice: LA ENERGÍA NO PUEDE SER CREADA NI DESTRUIDA, SOLO PUEDE TRANSFORMARSE DE UN TIPODE ENERGÍA EN OTRO

18 Calor El calor es una forma de energía, creada principalmente por la transformación de otros tipos de energía en energía de Calor; por ejemplo, la energía Mecánica que opera una rueda causa fricción y crea calor. Calor es frecuentemente definido como energía en transito, porque nunca se mantiene estática, ya que siempre está transmitiéndose desde cuerpos cálidos a los cuerpos fríos. La mayor parte del calor en la tierra se deriva de las radiaciones del Sol. Una cuchara sumergida en agua helada pierde su calor y se enfría; una cuchara sumergida en café caliente absorbe el calor del café y se calienta. Sin embargo, las palabras Más Caliente y Más Frío, son sólo términos comparativos. Existe calor a cualquier temperatura arriba del cero absoluto, incluso en cantidades extremadamente pequeñas. Cero absoluto es el término usado pro los científicos para describir la temperatura más baja que teóricamente es posible lograr, en el cuál no existe calor, y que es de 273ºC (-460ºF). La temperatura más fría que podemos sentir en la tierra es mucho más alta en comparación con esta base. Temperatura La temperatura es la escala usada para medir la intensidad del calor y es el indicador que determina la dirección en que se moverá la energía de calor. También puede definirse como el grado de calor sensible que tiene un cuerpo en comparación con otro. La temperatura se mide en Grados Fahrenheit (ºF), o se usa la escala de Grados Centígrados, algunas veces llamadas Celsius. Ambas escalas tienen dos puntos básicos en común: el punto de congelación y el de ebullición del agua al nivel del mar. Al nivel del mar, el agua se congela a 0ºC o a 32 ºF y hierve a 100 ºC o a 212ºF. En la escala Fahrenheit la diferencia de temperatura entre estos dos puntos está dividida en 180 incrementos de igual magnitud llamados grados Fahrenheit, mientras que en la escala Centígrados, la diferencia de Temperaturas está dividida en 100 incrementos iguales llamados Grados Centígrados. Medida de calor. La medida de la temperatura no tiene ninguna relación con la cantidad de calor. Una llamada de fósforo puede tener la misma temperatura que una hoguera, pero obviamente la cantidad de calor que despide es totalmente diferente. La unidad básica para medir calor usado en nuestro país, es la caloría que se define como la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de un gramo de agua 1 ºC. Por ejemplo, para aumentar la temperatura de un litro de agua de 95 a 100 ºC, se requieren 5000 calorías.

19 Sin embargo, la unidad de calor empleada comúnmente es la Kilo-Caloría (KCAL) que equivale a calorías y que pueden ser definidas como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un Kg. De Agua, un grado Centígrado. En el sistema Inglés, la unidad de calor es la BRITISH THERMAL UNIT (B.T.U.). Un B.T.U. Puede definirse como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua 1 ºF. Por ejemplo: Para aumentar la temperatura de un Galón de agua (aproximadamente 8,3 lb.) de 70 º F a 80 ºF, se requieren 83 BTU. 8.3 x (80 70) = 83 B.T.U. Calor específico. El Calor específico de una sustancia es su capacidad relativa de absorber o ceder calor tomando como base la unidad de agua pura, y se define como la cantidad de Kilocalorías o (BTU) necesarias para aumentar o disminuir la temperatura de un Kilo o (libra) de cualquier sustancia en 1ºC o (1ºF). Por definición, el calor específico del agua es 1,0 pero la cantidad de calor necesaria para aumentar o disminuir la temperatura de otras substancias varía. Se requieren, por ejemplo, únicamente 0,64 Kcal. por Kilo (0,64 BTU por libra) para aumentar o disminuir la temperatura de un kilo (Libra) de Aluminio 1 ºC (1ºF), por lo tanto, los calores específicos de estas dos substancias son 0,64 y 0,22 respectivamente. Calor sensible El calor sensible se define como el calor que provoca un cambio de temperatura en una sustancia. En otras palabras es como su nombre lo indica, el calor que puede percibirse por medio de los sentidos. Cuando la temperatura del agua se eleva de 0ºC a 100ºC, hay también un aumento de calor sensible. Calor latente Calor latente es el que necesita para cambiar un sólido en líquido, o un líquido en gas, es decir cambiar de estado, sin variar la temperatura de la sustancia. La palabra latente significa oculto, o sea que este calor requerido para cambiar el estado de una sustancia y no es percibido por los sentidos. Tonelada americana de refrigeración Aún en nuestro medio es muy frecuente hablar de toneladas de refrigeración, la cual es realmente una unidad americana basada en el efecto frigorífico de la fusión del hielo. La tonelada de refrigeración puede definirse como la cantidad de calor absorbida por la fusión de una tonelada de hielo sólido puro en 24 horas.

20 Puesto que el calor latente de fusión de una libra de hielo es de 144 BTU, el calor latente de una tonelada americana (2000 libras) de hielo será 144 * 2000, o sea 288,000 BTU por 24 horas. Para obtener el calor por hora es necesario dividir entre las 24 horas, lo cual da una cantidad de BTU/HORA, que recibe el nombre de TONELADA DE REFRIGERACION. Puesto que el calor latente del hielo en el sistema métrico es de 80 Kilo- Calorías y que y una tonelada americana e igual a kilos, la tonelada de refrigeración es igual a 80 * o sea kilo- calorías por 24 horas, es decir, kilo-calorías por hora. Calor latente de fusión El cambio de una sustancia de sólido a líquido o de líquido a sólido requiere calor latente de fusión. Este también puede llamare calor latente de fusión o calor latente de congelación. Cuando se derrite un kilo de hielo, éste absorbe 80 kilo-calorías (144 BTU) a una temperatura constante de 0ºC (32ºF); del mismo modo, cuando se congela un kilo de agua para convertirla en hielo, deben sustraérsele 80 kilo- calorías (144 BTU) a una temperatura constante de 0ºC (32ºF). En la congelación de productos alimenticios, únicamente se considera el calor latente del porcentaje de agua que estos contienen; por tanto, el calor latente se conocerá, determinado e porcentaje de agua que existe en dichos productos. Calor latente de evaporación Para cambiar una sustancia de líquido a vapor y de vapor a líquido se requiere calor latente de evaporación. Puesto que la ebullición es sólo un proceso acelerado de evaporación, este calor también puede llamarse calor latente ebullición, calor latente de evaporación, o para el proceso contrario, el calor latente de condensación. Cuando un kilo de agua hierve o se evapora, absorbe 539 kilo- calorías (970 BTU) a una temperatura constante de 100ºC (212ºF) al nivel del mar; igualmente, para condensar un kilo de vapor deben sustraerse 539 kilo- calorías (979 BTU). Debido a la gran cantidad de calor latente que interviene en la evaporación y en la condensación, la transmisión de calor puede ser eficiente mediante este proceso. Los mismos cambios de estado que afectan al agua se aplican también a cualquier líquido a diferentes presiones y temperaturas.

21 La absorción de calor para cambiar un líquido a vapor y la sustracción de este calor para condensar nuevamente el vapor, es la clave para todo el proceso de la refrigeración mecánica y la transmisión del calor latente requerido, es el instrumento básico de la refrigeración. El cambio de una sustancia de sólido a líquido o de líquido a sólido requiere calor latente de fusión. Este también puede llamare calor latente de fusión o calor latente de congelación. Cuando se derrite un kilo de hielo, éste absorbe 80 kilo-calorías (144 BTU) a una temperatura constante de 0ºC (32ºF); del mismo modo, cuando se congela un kilo de agua para convertirla en hielo, deben sustraérsele 80 kilo- calorías (144 BTU) a una temperatura constante de 0ºC (32ºF). En la congelación de productos alimenticios, únicamente se considera el calor latente del porcentaje de agua que estos contienen; por tanto, el calor latente se conocerá, determinado e porcentaje de agua que existe en dichos productos. Calor latente de evaporación Para cambiar una sustancia de líquido a vapor y de vapor a líquido se requiere calor latente de evaporación. Puesto que la ebullición es sólo un proceso acelerado de evaporación, este calor también puede llamarse calor latente ebullición, calor latente de evaporación, o para el proceso contrario, el calor latente de condensación. Cuando un kilo de agua hierve o se evapora, absorbe 539 kilo- calorías (970 BTU) a una temperatura constante de 100ºC (212ºF) al nivel del mar; igualmente, para condensar un kilo de vapor deben sustraerse 539 kilo- calorías (979 BTU). Debido a la gran cantidad de calor latente que interviene en la evaporación y en la condensación, la transmisión de calor puede ser eficiente mediante este proceso. Los mismos cambios de estado que afectan al agua se aplican también a cualquier líquido a diferentes presiones y temperaturas. La absorción de calor para cambiar un líquido a vapor y la sustracción de este calor para condensar nuevamente el vapor, es la clave para todo el proceso de la refrigeración mecánica y la transmisión del calor latente requerido, es el instrumento básico de la refrigeración. Calor latente de sublimación El proceso de sublimación es el cambio directo de un sólido a un vapor sin pasar por el estado líquido, que puede ocurrir en algunas sustancias. El ejemplo más común es el uso de hielo seco o sea dióxido de Carbono para enfriar.

22 El mismo proceso puede ocurrir con hielo abajo de su punto de congelación, y se utiliza también en algunos procesos de congelamiento a temperaturas extremadamente bajas y altos vacíos. El calor latente de sublimación es igual a la suma de calor latente de fusión y el calor latente de evaporación. TABLA No 1 CALORES ESPECIFICOS DE ALGUNOS ALIMENTOS

23 Temperatura de saturación Saturación es la condición de temperatura y presión en la cual el líquido y el vapor pueden existir simultáneamente. Un líquido o vapor esta saturado cuando está en su punto de ebullición (para el nivel del mar, la temperatura de saturación del agua es de 100ºC o 212 ºF). A presiones más altas la temperatura de saturación aumenta, y disminuye a temperatura más baja. Vapor sobrecalentado Cuando un líquido cambia a vapor, cualquier cantidad adicional de calor aumentará su temperatura (calor sensible). Siempre y cuando la presión a la que se encuentre expuesto se mantenga constante. El término vapor sobrecalentado se emplea para denominar un gas cuya temperatura se encuentre arriba de su punto de ebullición o saturación. El aire a nuestro alrededor contiene vapor sobrecalentado. Líquidos subenfriados Cualquier líquido que tenga una temperatura inferior a la temperatura de saturación corresponde a la presión existente, se dice que s encuentra subenfríado. El agua a cualquier temperatura por debajo de su temperatura de ebullición (100ºC al nivel del mar) está subenfríada. Presión Presión atmosférica La presión se expresa como una fuerza perpendicular ejercida sobre un área o superficie. Pues bien la presión atmosférica será la fuerza de gravedad que atrae la capa de gases que componen la atmósfera sobre la superficie terrestre, y se denomina presión atmosférica estándar a la presión atmosférica a nivel del mar. Presión absoluta Generalmente, la presión absoluta expresa en términos de bar o de kilogramofuerza por centímetro cuadrado o (libras-fuerza por pulgada cuadrada) y se cuenta a partir del vacío perfecto en el cual no existe la presión atmosférica. Por tanto en el aire a nuestro alrededor, la presión absoluta y la atmósfera son iguales. Presión manométrica Un manómetro de presión está calibrado para leer 0 kilogramo-fuerza por centímetro cuadrado o (libras-fuerza por pulgada cuadrada) cuando no está conectado a algún recipiente con presión; por tanto, la presión absoluta de un sistema cerrado será siempre la presión manométrica más la presión atmosférica.

24 Las presiones inferiores a la presión atmosférica Standard son realmente lecturas de depresión en los manómetros y se denominan vacíos. Un manómetro de refrigeración mixto (compound) está calibrado en el equivalente en milímetros (pulgadas) de Mercurio por las lecturas de depresión. Puesto que 1.03 Kg./cm2 (14.7 PSI) equivale aproximadamente a 760 milímetros de columna de Mercurio (29.92 pulgadas). Es importante recordar que la presión manométrica es siempre relativa a la presión absoluta. Diferentes tablas demuestran la relación de presiones a diferentes altitudes suponiendo que las condiciones atmosféricas sean normales. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA La segunda ley de la termodinámica, como se discutió antes establece que se transfiere calor en una sola dirección, de mayor a menor temperatura; esto tiene lugar a través de tres modos básicos de transferencia de calor que se detallan a continuación. Conducción La conducción se describe como la transferencia de calor entre las moléculas cercanas de una sustancia, o entre sustancias que están tocándose o en un contacto físico real con la otra. Cuando la transferencia de calor ocurre en una sola sustancia, tal como una varilla de metal con un extremo en una llama de fuego, el movimiento de calor va hasta que hay un balance de temperatura a todo lo largo de la longitud de la varilla. Si la varilla se sumerge en agua, las moléculas que se mueven rápidamente sobre la superficie de la varilla transmitirán algún calor a las moléculas del agua y otra transferencia de calor por conducción tendrá lugar. Cuando la superficie exterior de la varilla se enfría, hay aún algún calor dentro de la varilla y este continuará transfiriéndolo a las superficies exteriores de la varilla y luego al agua hasta que se alcanza el balance de temperatura. La velocidad con la cual el calor se transfiere por medio de la conducción varía con las diferentes sustancias o materiales si éstas poseen iguales dimensiones. La tasa de transferencia de calor variará de acuerdo a la habilidad de los materiales o sustancias para conducir calor. Los sólidos, en general son mucho mejore conductores que los líquidos; y a su vez los líquidos conducen el calor mejor que los gases o los vapores.

25 La mayoría de los metales tales como la plata, cobre, acero y el hierro, conducen el calor mucho más rápidamente, mientras que otros materiales tales como vidrio, la madera y otros materiales de construcción, transfieren el calor en una tasa mucho más lenta y por consiguiente solo usados como aislantes. El Cobre es un excelente conductor de calor como lo es el Aluminio. Estas sustancias son ordinariamente usadas en los evaporadores, condensadores y tubería de refrigerante que conecta los varios componentes de un sistema de refrigeración, aunque el hierro es ocasionalmente usado con algunos refrigerantes. La tasa a la cual el calor pueda conducirse a través de varios materiales depende de factores tales como: a) El espesor del material b) La diferencia de temperatura entre los lados del material c) La conductividad térmica (factor k) de un material d) El tiempo de duración del flujo de calor. La siguiente tabla presenta los factores de conductividad térmica de algunos materiales comunes. TABLA No. 2 FACTORES DE CONDUCTIVIDAD TERMICA Los factores k están dados en [(Kcal./ (hr x Mt x ºC)] estos factores pueden utilizarse correctamente a través del uso de la siguiente ecuación: Q = A K (T2 T1) / X

26 DONDE: A : Área seccional en Mt2 K : Conductividad térmica en [Kcal/(h)(Mt)(ºC)] T: Diferencia de temperatura entre los dos lados X: Espesor del material en Metros. Los materiales de una alta conductividad se usan dentro del sistema de refrigeración en si mismo a causa de que es deseable que una transferencia de calor rápida ocurra tanto en el evaporador como en el condensador. El evaporador es donde el calor se remueve, del espacio refrigerado o el proceso que ha estado en contacto directo con la sustancia. El condensador disipa este calor a otro medio o espacio. En el caso del evaporador el producto o aire está a una mayor temperatura que el refrigerante dentro de la tubería y hay una transferencia de calor de mayor a menor temperatura; mientras que en el condensador el vapor del refrigerante está a una mayor temperatura que la del medio enfriarte viajando a través del condensador, y aquí de nuevo hay una transferencia de calor de mayor a menor temperatura. Convección Otro medio de transferencia de calor es por el movimiento de material calentado en sí mismo cuando se trata de un líquido o gas. Cuando el material se calienta, las corrientes de convección son producidas dentro del mismo y las porciones más calientes de él suben, ya que el calor trae consigo el decrecimiento de la densidad del fluido y un incremento en su volumen específico. El aire dentro de un refrigerador y el agua que se calienta en una vasija son ejemplo primario de los resultados de las corrientes de convección. El aire en contacto con el serpentín de enfriamiento de un refrigerador llega a enfriarse y por consiguiente se vuelve más denso, y empieza a bajar a la parte inferior e éste. Al hacerlo absorbe inferior calor de los alimentos y de las paredes del refrigerador, el cual a través de conducción, ha ganado calor del cuarto Después de que el calor ha sido absorbido por el aire, éste se expande volviéndose más liviano y sube nuevamente al serpentín enfriador en donde el calor nuevamente se renueva de él. El ciclo de convección se repite siempre que haya una diferencia de Temperatura entre el aire y el evaporador. Las corrientes de Convección tales como las explicadas aquí son naturales, y, o como el caso de un refrigerador, el flujo natural es un flujo lento. En algunos casos la convección debe incrementarse con el uso de ventiladores o sopladores; en el caso de los líquidos se usan bombas para forzar la circulación y la transferencia de calor de un lugar a otro.

27 Radiación Un tercer medio de transferencia de calor es la radiación por medio de ondas similares a las de la luz o las ondas de sonido. Los rayos del sol calientan la tierra por medio de ondas de calor radiantes el cual viaja en caminos rectos sin calentar la materia que interviene en su recorrido o el aire. El calor de un bulbo de luz o de una estufa caliente es radiante en naturaleza y se siente cuando se está cerca de ella, aunque el aire entre la fuente y el objeto cuando los rayos pasan a través de él no se calienta. Si usted ha estado relajándose en un edificio sombreado o en un árbol en un día caliente o soleado y se mueve directamente a los rayos del sol, el impacto directo de las ondas caloríficas le golpeará como un pesado martillo aún cuando la temperatura del aire en la sombra es aproximadamente la misma que en la parte soleada. A bajas temperaturas hay solamente una pequeña cantidad de radiación, y solamente se sienten pequeñas diferencias de temperatura, por consiguiente la radiación tiene pequeño efectos en el proceso real de refrigeración, pero los resultados de la radiación de los rayos solares pueden causar un incremento en la carga de refrigeración en un edificio expuesto a estos rayos. El calor radiante es rápidamente absorbido por materiales o sustancias oscuras o mates, mientras las superficies o materiales con colores claros, reflejarán las ondas de calor radiante, como lo hacen con los rayos de luz. Este principio también se utiliza en el campo del Aire Acondicionado, donde, con techos y paredes claras, penetrará menos calor radiante en el espacio acondicionado, reduciendo así el tamaño del equipo de enfriamiento requerido. El calor radiante también penetra fácilmente las ventanas con vidrios claros, pero es absorbido por vidrios opacos o traslúcidos. Cuando el calor radiante o energía (ya que todo el calor es energía) es absorbido por un material o sustancia, se convierte en calor sensible, el cual puede sentirse o medirse. Todo cuerpo o sustancia absorbe energía radiante en algunas cantidades, dependiendo de la diferencia de temperatura entre el cuerpo específico o sustancia y la otra sustancia. Toda sustancia radiará energía cuando su temperatura es mayor que el cero absoluto y otra sustancia próxima este a menor temperatura. Si un carro se deja sol bajo el sol caliente, con las ventanas cerradas durante un período de tiempo largo, la temperatura dentro del carro será mucho mayor que la del medio ambiente que lo rodea. Esto demuestra que la energía absorbida por los materiales de los cuales se construye el carro se convierte a calor sensible, que puede medirse.

28 Lección 3: Ciclos de Refrigeración SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR Diagrama presión entalpía Para realizar ciertos cálculos en instalaciones de refrigeración es preciso disponer, y saber manejar, los diagramas que permiten trabajar a diferentes presiones, temperaturas y contenido entálpicos del medio refrigerante que se utilice. Los diagramas permiten obtener los datos termodinámicos que se necesitan para resolver los problemas que se plantean en los ciclos de refrigeración. Hay varios tipos de diagramas; Uno de los más empleados es el de presiónentalpía. Este diagrama tiene la presión en ordenadas (eje vertical) y la entalpía en absisas (eje horizontal). Mediante líneas que atraviesan el diagrama se indican la temperatura, el volumen específico y a entropía. En el diagrama modélico indicado puede apreciarse las zonas de Vapor saturado, líquido saturado, vapor recalentado, liquido subenfriado y mezcal liquido- vapor en el interior de la campana. Cada refrigerante tiene su propio diagrama Esto quiere decir que el diagrama de cada refrigerante tiene su propia forma y dimensiones y no puede utilizarse un diagrama cualquiera para todos los casos, sino que debe utilizarse el específico del refrigerante. Vamos a repasar el significado de las diferentes zonas. Vapor Saturado: Es vapor que se encuentra en equilibrio con su fase liquida a presión y temperaturas especificadas. Vapor Recalentado: Es vapor que se ha calentado. Esta representado por la zona de la derecha de la campana. Líquido Saturado: Es líquido que está a punto de hervir. Esta representado por la curva de la izquierda de la campana. Líquido Subenfríado: Es un líquido a una temperatura inferior a la de saturación. Esta representado por la zona de la izquierda de la campana.

29 Mezcla líquido- Vapor: Es la zona interior de la campana. La campana esta rematada por el punto Crítico, que representa unas condiciones de presión y temperaturas tales que no distingue el estado del fluido (si es liquido o gas) En el proceso tienen lugar dos fenómenos con balance de calor: La evaporación de un refrigerante en estado líquido produce la absorción de calor o, lo que es lo mismo, baja la temperatura en el recinto o cámara donde se encuentra, produciendo sensación de frío. La condensación del Vapor de un refrigerante se produce mediante una sesión de calor al ambiente, lo cual se traduce en una elevación de temperatura el mismo. Este proceso es continuo y depende de las condiciones que los elementos que configuren la instalación impongan al refrigerante, de modo que pueda seguirse desde cualquier punto. En la figura, veamos el ciclo que se producirá en un circuito frigorífico ideal sobre el diagrama Presión- entalpía de cualquier refrigerante. Sobre las abscisas se representa la entalpía del refrigerante en Kjoule/Kg y sobre las ordenadas la presión en Psi o bar. El diagrama es conocido para cada refrigerante, y su principal elemento característico es la curva de saturación del mismo, como ya se ha explicado.

30 Diagrama Presión Entalpía Situémonos en el punto antes del dispositivo de expansión, previa al evaporador, en que el refrigerante se encuentra en estado líquido a una cierta presión; su paso al evaporador se controla mediante un dispositivo cuya función es regular el paso de refrigerante. Dicha válvula produce una estrangulación brusca que hace que a presión descienda desde la que tenía a la salida del condensador hasta la existente a la entrada del evaporador. La válvula es el regulador automático de los límites entre los que se denomina parte de alta presión y parte de baja presión, presiones entre las cuales la válvula se ve forzada de trabajar. Esta bajada de presión en el evaporador hace que el refrigerante hierva y se produzca su evaporación, auxiliado por la cantidad de calor que absorbe del recinto en que se encuentra, a través del aire del mismo y transfiriéndolo al liquido, que se va transformando en vapor en el interior de los tubos de serpentín hasta que se evapora completamente. El refrigerante, en forma de gas, entra en el compresor por la tubería denominada de aspiración o succión, a través de la válvula de aspiración (semejante a los cilindros de un carro). Aquí el refrigerante es comprimido aumentando por ello su presión y su temperatura hasta llegar al punto en cuyas condiciones fluye hasta la entrada del condensador. La válvula de salida del cilindro del compresor actuará de retención, impidiendo que el gas regrese hacia el mismo. En el condensador, mediante la acción de un fluido exterior (aire, agua o ambas a la vez), se extrae calor al gas refrigerante, lo cual produce un enfriamiento del mismo favoreciendo su condensación hasta alcanzar el estado liquido; a partir de aquí s impulsado de nuevo por la tubería hacia la válvula de expansión, punto donde se repite el ciclo explicado. Como puede observarse, en el proceso existen varias temperaturas diferentes, lo cual hace que el estado refrigerante sea distinto en varios puntos; por ejemplo, se obtiene líquido subenfriado y saturado, vapor saturado y sobrecalentado, como se verá en el ciclo real. No obstante, en principio solo hay dos presiones perfectamente diferenciadas, que son las que corresponden a la evaporación y a la condensación. Es por ello que puede hablarse del LADO DE ALTA PRESIÓN y del LADO DE BAJA PRESIÓN de una planta o instalación frigorífica. Distingamos las características de presión (p), temperatura (t) y entalpía (h) de los puntos más representativos del proceso sobre dichas figuras.

31 El refrigerante condensado, esta a una temperatura tc (de condensación) y a una determinada presión pc (presión de condensación) y a una entalpía h1. Cuando el líquido pasa a través de la válvula de expansión su estado disminuye su presión y aumenta su velocidad. Esta variación permite que cambie de estado, se produce por la ebullición del líquido, provocada por la caída brusca de presión, bajando al mismo tiempo la temperatura. En este proceso el calor es constante, por lo que la entalpía no varía. A la entrada del evaporador, coexiste una mezcla de vapor y liquido (parte interior de la curva p-h), mientras que a la salida del mismo, el vapor esta saturado. La presión y la temperatura son las mismas, pero como el evaporador ha absorbido calor del recinto donde se encuentro, la entalpía ha aumentado antes de la entrada del compresor. Cuando el vapor pasa por el compresor, este le confiere un aumento de presión al vapor ha llegado, hasta el punto de presión de condensación. Esta energía añadida por el compresor hace que aumente la temperatura hasta el valor necesario, como consecuencia de haber sido recalentado el vapor, y la entalpía, por tanto, a la entrada del condensador, encontramos, pues, vapor recalentado a una presión de condensación. Allí se evacua el calor al medio ambiente, hasta conseguir que su entalpía descienda de nuevo, por tener lugar el proceso de cambio de estado de gas a líquido. En la práctica, el ciclo ideal o teórico no se produce exactamente como se ha descrito, ya que debido a otras causas, suelen producirse variaciones que apartan sensiblemente el comportamiento del refrigerante de su ciclo teórico. Es el denominado ciclo real y sus diferencias principales se encuentran las características de los elementos que constituyen a la instalación (evaporadores, condensadores compresores y tubería de refrigerante) en forma de recalentamiento o subenfriamientos que varían las condiciones teóricas de los valores de presión y temperatura, fundamentalmente. Lección 4: Ciclo Simple de Refrigeración El ciclo de refrigeración en una etapa consta de cuatro procesos que transportan calor desde una fuente de baja temperatura (cámara fría), hasta una fuente de alta temperatura (atmósfera). Los equipos necesarios para el ciclo son:

32 Evaporador. Compresor. Condensador. Válvula de expansión. Refrigerante Figura No. 2 Ciclo Simple de Refrigeración mecánica Los cuatro procesos básicos del sistema de refrigeración son: Evaporación 1-2: Existe un intercambio de calor entre el cuarto frío y el refrigerante. El refrigerante cambia de fase a presión constante. Compresión 2-3: El compresor eleva la presión del refrigerante, para elevar su temperatura. Condensación 3-4: Existe un intercambio de calor entre el refrigerante y la atmósfera. El refrigerante baja su temperatura y luego cambia de fase, esto ocurre a presión constante. Expansión 4-1: El refrigerante baja súbitamente su presión y de esta forma baja también su temperatura. El proceso ocurre a entalpía constante.