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Enfriamiento de líquidos: Potencia frigorífica necesaria

Tanques de enfriamiento

¡Hola de nuevo! La entrada de esta semana está dedicada al enfriamiento de líquidos, una de las ramas de la refrigeración en las que más discrepancias existen en la bibliografía, y en las que no hay soluciones únicas, sino que cada problema en cuestión debe ser analizado independientemente para llegar al mejor diseño e instalación. Concretamente, hoy vamos a estudiar cómo estimar la potencia frigorífica necesaria para nuestra aplicación, qué factores son los más determinantes y qué criterios de diseño tomar. En próximos artículos veremos qué tipo de sistema instalar para obtener la solución que mejor se adapte a nuestras necesidades.

1. INTRODUCCIÓN

En muchos procesos industriales surge la necesidad de enfriar un fluido. Cuando se trata de un proceso continuo, como por ejemplo enfriar glicol para bombearlo hacia los aeroenfriadores de un recinto frigorífico, los cálculos suelen ser bastante sencillos, ya que tenemos bastante claro el caudal con el que deben alimentarse los enfriadores y las temperaturas de trabajo de los mismos. Sin embargo, existen algunos casos donde la estimación de la potencia frigorífica es bastante menos intuitiva. Un caso típico es el del enfriamiento de un líquido alimentario, por ejemplo, el líquido de gobierno de una marmita de cocción, almíbar para frutas, salmueras, jugos, leche, vino, etc.

En estos casos, surgen muchas dudas respecto a la potencia frigorífica a instalar, entre otras cosas, porque muchas veces no está bien definido el proceso que el cliente quiere llevar a cabo. Por ello lo más importante es dialogar el tiempo necesario con el usuario final y llegar a comprender sus necesidades reales. Esto ahorrará tiempo y dinero tanto al cliente como a nosotros.

La principal información de la que debemos disponer es:

  • Características del producto a enfriar.
  • Cantidad del producto a enfriar.
  • Temperatura del producto antes y después del proceso de enfriamiento.
  • Tiempo en el que queremos enfriar el producto (Como veremos más adelante, el estudio de este parámetro es clave para llegar a un buen diseño).
  • Condiciones ambientales del recinto donde se lleva a cabo el proceso.
  • Descripción detallada del proceso industrial global del que forma parte la fase de enfriamiento, y cómo este afecta a nuestro objetivo.

Una vez hayamos estudiado a fondo esta información, podremos abordar el cálculo de las necesidades frigoríficas.

Siempre he pesando que la mejor manera de ver algo es con un ejemplo. ¡Así que vamos allá! El ejemplo que a continuación vamos a desarrollar es un caso real de un problema que planteó un compañero de Forofrío, sobre el enfriamiento de un tanque de agua para atemperar anchovetas. Podéis consultar el hilo de discusión original aquí.

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Se pudo recoger la siguiente información sobre el proceso de enfriamiento:

  • Se trata de enfriar por inmersión canastillas de 5 kg de anchovetas que salen de una cocina industrial a 80 ºC y deben enfriarse hasta 33 ºC, a un ritmo de 625 kg/h, durante de 10 h.
  • Para ello se desea emplear un tanque de agua de 1000 L que inicialmente se encuentra a 28 ºC. El cliente desea enfriar el tanque hasta 7 ºC  y comenzar a introducir canastillas calientes. Durante las 10 h que durará el proceso, el cliente solicita que el tanque no supere los 15 ºC.

Vamos a resumir los parámetros de diseño de manera breve:

  • Dimensiones del tanque: 1.7×0.8×0.9 m
  • Volumen útil de llenado: 1000 L
  • Canastillas de 5 kg de anchoveta
  • Rotación de producto: 125 canastillas/h = 625 kg/h
  • Calor específico de las anchovetas: 3430 J/kgK
  • Calor específico del agua: 4186 J/kgK
  • Tª de entrada en tanque: 80 ºC
  • Tª de salida de tanque: 33 ºC
  • Tª inicial del agua del tanque (agua de red): 28 ºC
  • Tª en primer enfriamiento del tanque: 7 ºC
  • Tª máxima del tanque con proceso en marcha: 15 ºC
  • Condiciones ambientales del recinto: 28 ºC y H.R 90%

Se trata de un problema complejo en el que intervienen múltiples factores. Hay que detenerse a reflexionar sobre cuáles son los aportes de calor que vamos a tener en el tanque de enfriamiento, y una vez conocidos estos y el periodo de tiempo en el cual se producen, tendremos los datos suficientes para conocer la potencia frigorífica a instalar. Las posibles ganancias de calor en el tanque pueden ser:

  • Ganancia de calor por paredes y por la superficie libre de líquido.
  • Ganancia de calor por la entrada de anchovetas calientes.

Vamos a analizar cada apartado por separado.

3. GANANCIA DE CALOR POR LAS PAREDES Y POR LA SUPERFICIE LIBRE DE LÍQUIDO

3.1. GANANCIA DE CALOR POR LAS PAREDES DEL TANQUE

Es conveniente aislar el tanque exteriormente, más que por las pérdidas de frío, que veremos que son bajas, para evitar condensación en la superficie exterior del tanque. Teniendo en cuenta las condiciones ambientales, 28ºC y HR 90%, y la temperatura de rocío, 26ºC, una manta aislante de fibra de vidrio de un mínimo de 40 mm de espesor sería adecuada. En base a esto, las ganancias de calor por transmisión por las paredes se podrían estimar de la siguiente forma:

(1)   \begin{equation*} \dot{Q}_{pared}=K \cdot S \cdot (T_{ext}-T_{int})$ \end{equation*}

Siendo:

\dot{Q}_{pared}, el flujo de calor a través de las paredes, en W

K , el coeficiente global de transmisión de calor de las paredes  = 0,69 W/m2K (estimado en base a un coeficiente de convección interior de 100 W/m2K, exterior de 10 W/m2K, y una conductividad para fibra de vidrio de 0,03 W/m2K)

S , la superficie envolvente del tanque = 6,57 m2

T_{ext} , la Tª ambiente exterior al tanque = 28 ºC

T_{int}, la Tª interior de tanque = 7 ºC (caso más desfavorable)

El resultado obtenido es 95 W, unas ganancias de calor despreciables en comparación con el resto, como veremos posteriormente.

3.2. GANANCIA DE CALOR POR LA SUPERFICIE LIBRE DEL LÍQUIDO

Por la superficie libre de líquido van a existir ganancias de calor por convección. Estas pueden estimarse de manera similar a las pérdidas por paredes, pero al no haber pared aislante entre el agua y el aire, el coeficiente de transmisión de calor, K, va a ser mucho mayor:

(2)   \begin{equation*} \dot{Q}_{liquido}=K \cdot S \cdot (T_{ext}-T_{int})$ \end{equation*}

Siendo:

\dot{Q}_{liquido}, el flujo de calor a través de la superficie libre de líquido, en W

K , el coeficiente global de transmisión de calor a través de la superficie libre de líquido  = 9,10 W/m2K (estimado en base a un coeficiente de convección en el agua de 100 W/m2K y en el aire de 10 W/m2K)

S , la superficie libre de líquido = 1,36 m2

T_{ext} , la Tª ambiente exterior al tanque = 28 ºC

T_{int}, la Tª interior de tanque = 7 ºC (caso más desfavorable)

El resultado obtenido es 260 W, que si bien es mayor que las ganancias por las paredes, sigue siendo despreciable en comparación con el resto, como veremos a continuación.

4. GANANCIA DE CALOR POR ENFRIAMIENTO DEL PRODUCTO

El flujo de calor aportado por las canastillas de anchovetas durante el proceso es realmente la carga térmica principal. Podemos estimarla mediante la siguiente ecuación:

(3)   \begin{equation*} \dot{Q}_{p}=\dot{m}_p \cdot c_p \cdot (T_{p0}-T_{pf}) \end{equation*}

Siendo:

\dot{Q}_{p}, el flujo de calor procedente del producto, en W

\dot{m}_p , el flujo másico de producto a enfriar = 0,174 kg/s

c_p, el calor específico de las anchovetas = 3430 J/kgK

T_{p0} , la Tª inicial de las anchovetas = 80 ºC

T_{pf} , la Tª final de las anchovetas= 33 ºC

El resultado obtenido es 28051 W. 

Si sumamos las ganancias por producto, por paredes y por superficie de líquido, tendremos una carga térmica de 28406 W, comprobándose que el factor limitante es el enfriamiento del producto.

Ya hemos calculado la carga térmica del tanque. Esta carga térmica será la que se producirá de manera continuada durante las 10 h en las que se desarrollará el proceso de enfriamiento de anchovetas, pero no debemos olvidar que antes de comenzar este proceso, debemos enfriar el tanque desde 28 ºC hasta los 7 ºC necesarios para comenzar el proceso. Esta puesta en régimen es algo que no se puede obviar, ya que en la industria, los tiempos y programas de funcionamiento deben tenerse muy en cuenta para hacer eficiente el proceso productivo. Veamos la potencia necesaria para la puesta en régimen.

5. CARGA TÉRMICA PARA LA PUESTA EN RÉGIMEN DEL TANQUE

Supongamos que queremos enfriar el tanque de 28ºC a 7ºC en 1 hora, un tiempo bastante aceptable para la programación diaria de una industria alimentaria. En ese caso la carga térmica sería:

(4)   \begin{equation*} \dot{Q_0}=\frac{m_w \cdot c_w \cdot (T_{w0}-T_{wf})}{t} \end{equation*}

Siendo:

\dot{Q_0}, la carga térmica de puesta en régimen, en W

m_w , la masa de agua a enfriar = 1000 kg

c_w, el calor específico del agua = 4186 J/kgK

T_{w0} , la Tª inicial del agua = 28 ºC

T_{wf} , la Tª final del agua = 7 ºC

t, el tiempo de enfriamiento = 1 h = 3600 s

El resultado es 24418 W.

Teniendo en cuenta que la carga térmica de proceso es muy similar a la de puesta en régimen en 1 hora, podríamos tomar como referencia ese valor. Tomando 28406 W de carga térmica y aplicando un factor de seguridad del 15%, que podría englobar, entre otros, el calor aportado por agitadores, tendríamos una potencia frigorífica necesaria de 32667 W, aproximadamente 33 kW.

Es conveniente tener en cuenta que la suposición de que podremos enfriar el tanque en 1 h debe ser comprobada, ya que por mucha potencia frigorífica que instalemos, un tanque de 1000 L de agua tiene un tiempo mínimo natural en el que puede enfriarse. Ese tiempo dependerá de la temperatura del refrigerante que empleemos, de si hay agitadores o no en el tanque, y sobre todo de la superficie del intercambiador de calor. Esto va a influenciar directamente en la elección del sistema frigorífico a emplear.

Por ejemplo, si decidimos instalar un serpentín sumergido en el tanque, la superficie de intercambio estará limitada al espacio disponible dentro del tanque. Por otra parte, el coeficiente de transmisión de calor de un serpentín sumergido es bastante bajo, incluso con agitadores en el tanque. En un próximo artículo veremos como estimar el tiempo de enfriamiento de un tanque enfriado por serpentín, y comprobaremos qué temperatura de refrigerante deberíamos emplear si queremos enfriar el tanque en un tiempo concreto.

Dicho todo esto, también existen otras soluciones disponibles que nos permitirían enfriar el fluido del tanque en un tiempo mucho más rápido. Por ejemplo, es posible instalar un intercambiador de calor multitubular y un grupo de bombeo para enfriar el agua externamente y luego devolverla al tanque. Estas opciones serán objeto de otro artículo.

6. CONCLUSIÓN

Tras el análisis de la carga térmica para el enfriamiento de un tanque de líquidos, hemos visto que es un problema en el que influyen múltiples variables, y que es necesario establecer de la manera más precisa posible los condicionantes de nuestro proyecto.

El proceso de diseño no ha hecho más que comenzar, ya que ahora se plantean nuevos problemas, como:

  • ¿Podremos enfriar el líquido en el tiempo deseado?
  • ¿Qué superficie de intercambio necesitamos para el enfriador?
  • ¿Cuándo la normativa nos permite usar un evaporador expansionando refrigerante en el interior del tanque?
  • ¿A qué temperatura tendremos que evaporar el refrigerante?
  • ¿Interesa enfriar el líquido con un equipo externo al tanque?

Estas y otras preguntas serán tratadas en próximos artículos. Hasta aquí llega esta entrada que espero haya sido de vuestro interés y permita reflexionar sobre el campo del enfriamiento de líquidos, que los técnicos del frío debemos conocer. ¡Un saludo a todos y buena semana!

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Fran Enríquez
Fran Enríquez

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2 Comments

  1. Enfriamiento de líquidos: Selección del equipo y tiempos de enfriamiento (I) - CoolProyect dice:
    septiembre 11, 2016 a las 12:15 pm

    […] en depósitos para diferentes procesos industriales. Hace unas semanas estudiamos cómo estimar la potencia frigorífica para enfriar líquidos, e hicimos la observación de que es muy importante verificar el tiempo de enfriamiento, ya que la […]

  2. luis suarez dice:
    septiembre 29, 2024 a las 4:35 am

    buenas tardes, tengo una consulta para procesos de enfriamiento de salsas como mostazas, mayonesa;  como puedo bajar la temperatura si el producto entra a 90°c y en una hora necesitan que baje a 25°,me pueden indicar con cual curso puedo hacer ese estudio

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