Introducción: el pecado original en el diseño de refrigeración
En la ingeniería de refrigeración, existe un «pecado original»: un error cometido al inicio que condena irrevocablemente a todo el proyecto. Este error es el cálculo de carga térmica. No es una simple estimación; es el pilar matemático sobre el cual se dimensiona cada componente, desde el evaporador hasta el compresor.
Para el gerente de planta, un error aquí se traduce en dos pesadillas financieras: un sistema subdimensionado que nunca alcanza la temperatura requerida, provocando pérdidas de producto y paradas de producción; o un sistema sobredimensionado que infla el CAPEX innecesariamente y opera con una eficiencia energética desastrosa durante toda su vida útil. Para el ingeniero, un cálculo impreciso es una falla fundamental en la aplicación de los principios de la termodinámica y la transferencia de calor, con consecuencias operativas graves.
Esta guía técnica desglosará la metodología rigurosa para un correcto cálculo de carga térmica, detallando cada una de sus componentes y culminando con un ejemplo práctico y transparente.
Descomponiendo la carga térmica total
La carga térmica total (QTotal) es la suma de todo el calor que debe ser extraído de un espacio refrigerado durante un período de 24 horas para mantener las condiciones de diseño. Se descompone en cuatro fuentes principales:
1. Carga por transmisión a través de cerramientos (QT)
También conocida como carga por paredes, techo y suelo, es el calor que se transfiere desde el exterior hacia el espacio refrigerado. Se rige por la ley de Fourier para la conducción:
QT=U⋅A⋅ΔT
Donde:
- U: Coeficiente global de transferencia de calor (W/m²·K). Este valor es crítico y depende del material y espesor del aislante (ej. panel de poliuretano). Un valor bajo de U significa un mejor aislamiento y una menor carga térmica.
- A: Área total de la superficie de transmisión (m²).
- ΔT: Diferencia de temperatura entre el exterior y el interior de la cámara (K o °C).
2. Carga por infiltración y renovación de aire (QI)
Es el calor que ingresa a la cámara debido a la apertura de puertas (infiltración) o a la ventilación forzada (renovación). Este aire exterior debe ser enfriado y deshumidificado, lo que representa una carga sensible y latente significativa.
QI=V˙⋅ρaire⋅(hext−hint)
Donde:
- V˙: Caudal de aire infiltrado (m³/s). Se estima en base al volumen de la cámara y el número de renovaciones de aire por día, que depende del tráfico.
- ρaire: Densidad del aire (kg/m³).
- hext y hint: Entalpía del aire exterior e interior (kJ/kg), respectivamente. La diferencia de entalpía representa tanto el calor sensible como el latente.
3. Carga por producto (QP)
Es el calor que debe ser extraído del producto introducido en la cámara. Se divide en tres partes:
- Enfriamiento sobre el punto de congelación: QP1=m⋅cp,prod⋅(Tentrada−Tfinal)
- Calor latente de congelación (si aplica): QP2=m⋅hlatente
- Calor de respiración (para frutas y hortalizas): QP3=m⋅qresp
4. Cargas internas misceláneas (QM)
Es el calor generado dentro del espacio por:
- Iluminación: Qluces=Potenciatotal⋅Factoruso
- Personas: Depende del número de personas, el tipo de actividad y el tiempo de permanencia.
Motores: Principalmente los motores de los ventiladores de los evaporadores. Esta carga es significativa, ya que toda la energía eléctrica que consumen se disipa como calor directamente en el espacio refrigerado.
Ejemplo práctico: cálculo de carga térmica para una cámara de conservación
A continuación, se presenta un ejemplo simplificado para ilustrar la metodología.
Datos de diseño:
- Aplicación: Cámara para conservar 2,000 kg de manzanas.
- Dimensiones internas: 5m (largo) x 4m (ancho) x 3m (alto).
- Temperatura interior (Tint): 2 °C.
- Temperatura exterior (Text): 32 °C.
- Aislamiento: Paneles de poliuretano de 100 mm de espesor, con un U = 0.22 W/m²·K.
- Producto: 2,000 kg de manzanas ingresan diariamente a 25 °C.
- Calor específico (cp): 3.65 kJ/kg·K.
- Calor de respiración a 2°C: 0.07 W/kg.
- Cargas internas:
- Iluminación: 200 W, encendida 2 horas/día.
- Personas: 1 persona, 1 hora/día (aprox. 270 W).
- Motores ventiladores: 500 W, funcionando 18 horas/día.
- Infiltración: Se asume un 25% del volumen de la cámara en renovaciones de aire por día debido a aperturas.
- Volumen cámara: 5 x 4 x 3 = 60 m³.
- Entalpía aire ext (32°C, 60% HR): 75.5 kJ/kg.
- Entalpía aire int (2°C, 85% HR): 11.5 kJ/kg.
- Densidad aire: ~1.2 kg/m³.
Cálculo paso a paso:
- Carga por Transmisión (QT):
- Área (A) = 2*(5×4) + 2*(5×3) + 2*(4×3) = 94 m².
- ΔT = 32°C – 2°C = 30 K.
- QT=0.22m2KW⋅94m2⋅30K=620.4W.
- QT(kJ/24h)=620.4sJ⋅86400dıˊas⋅1000J1kJ=53,608.56kJ.
- Carga por Infiltración (QI):
- Volumen de infiltración diario = 60 m³ * 0.25 = 15 m³/día.
- Masa de aire = 15 m³/día * 1.2 kg/m³ = 18 kg/día.
- QI(kJ/24h)=18dıˊakg⋅(75.5−11.5)kgkJ=1,152kJ.
- Carga por Producto (QP):
- Calor sensible: QP1=2000kg⋅3.65kgKkJ⋅(25−2)K=167,900kJ.
- Calor respiración: QP3=(2000kg⋅0.07kgW)⋅(24h⋅3600hs)⋅1000J1kJ=12,096kJ.
- QP(kJ/24h)=167,900+12,096=179,996kJ.
- Cargas Misceláneas (QM):
- Luces: (200W⋅2h)⋅3.6WhkJ=1,440kJ.
- Personas: (270W⋅1h)⋅3.6WhkJ=972kJ.
- Motores: (500W⋅18h)⋅3.6WhkJ=32,400kJ.
- QM(kJ/24h)=1,440+972+32,400=34,812kJ.
Carga Térmica Total:
- QTotal(24h)=53,608.56+1,152+179,996+34,812=269,568.56kJ.
- Con factor de seguridad del 10%: QTotal,seg=269,568.56⋅1.10=296,525.4kJ.
Potencia Frigorífica Requerida:
Asumiendo un tiempo de funcionamiento del equipo de 18 horas/día:
- Potencia (kW) = 18h⋅3600s/h296,525.4kJ=4.58kW.
Esta es la potencia frigorífica que el evaporador debe ser capaz de remover y que servirá de base para seleccionar el resto de los componentes.
La ventaja JAZAM: del cálculo a la ingeniería de valor
Si bien este cálculo de carga térmica es fundamental, su ejecución precisa depende de la experiencia y el rigor metodológico. En esta etapa del proyecto, el uso de hojas de cálculo detalladas y validadas por la experiencia es la herramienta más común y efectiva para asegurar que cada fuente de calor sea cuantificada correctamente.
La verdadera ventaja no reside en un software específico para esta tarea, sino en la capacidad de interpretar los resultados y tomar decisiones de ingeniería inteligentes. La experiencia nos permite, por ejemplo, evaluar el impacto económico de añadir más aislamiento para reducir la carga por transmisión, o justificar la inversión en puertas rápidas para minimizar la carga por infiltración, optimizando así el diseño desde su concepción.
Conclusión: la base de un sistema rentable
El cálculo de carga térmica no es una simple formalidad, es el diagnóstico técnico que define la salud y la eficiencia de su futuro sistema de refrigeración. Un enfoque meticuloso, que considere cada fuente de calor y se valide con herramientas y metodologías robustas, es la única manera de garantizar que la inversión en equipos (CAPEX) sea la correcta y que los costos operativos (OPEX) se mantengan bajo control.
Invertir en una ingeniería precisa en esta etapa inicial es la decisión más rentable que puede tomar, asegurando que su sistema de refrigeración funcione como un activo estratégico y no como una carga financiera.