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Aspectos básicos.
La denominada “cadena de frío” consiste en la continuidad virtuosa de las condiciones de productos perecederos durante el transporte y el almacenamiento desde su etapa inicial de
producción hasta el consumidor final.
Todos los productos perecederos, cualquiera sea su naturaleza, en algún momento estarán acopiados en almacenes frigoríficos y transportados desde sus zonas de origen y puntos de elaboración hasta el destino final de consumo o utilización.
El almacenamiento y transporte deberá ser efectuado a una temperatura constante, resultante de las características y la naturaleza del producto y de la índole de su procesamiento.
Los productos a almacenar y transportar bajo condiciones de refrigeración incluyen no solo una gran variedad de alimentos, sino también productos farmacéuticos, drogas y productos medicinales sensitivos.
Inmediatamente posterior a la deseable refrigeración de los productos cosechados o elaborados, interviene la cadena de frío, en sus etapas de transporte, almacenamiento, distribución, y entrega a los consumidores.
Los tres principios básicos para asegurar productos sanos son:
a) Refrigerar los productos tan pronto como sea posible;
b) mantenerlos ininterrumpidamente refrigerados;
c) monitorearlos en todas las etapas.
Almacenamiento de productos perecederos en cámaras refrigeradas.
Diseño y operación de los componentes de la cadena de frío.
El diseño y la ejecución óptimos de los proyectos de refrigeración son fundamentales para lograr la conservación adecuada, la seguridad alimentaria de los productos perecederos
y la economicidad del proceso.
En lo relativo a la economicidad, y por lo tanto factibilidad, se verifica que la refrigeración representa un valor muy importante, mayoritario en los costos operativos de una estructura de almacenamiento.
La energía eléctrica requerida para su proceso representa habitualmente más del 30 % de los costos totales de explotación.
La experiencia muestra que hay variaciones muy amplias en el consumo de energía entre depósitos frigoríficos similares, lo que reafirma la conveniencia de efectuar un análisis cuidadoso y totalizador previo al diseño de los sistemas.
Consideraciones a tener en cuenta en la etapa preliminar del proyecto.
• Ubicación:
Seleccionar un emplazamiento que haga factible la tarea de recibir los productos a almacenar con cercanía a los centros de producción, cercanía con sectores de consumo o transporte y disponibilidad de accesos rápidos y seguros.
• Diseños particulares:
Dado que los edificios refrigerados tienen una gama amplísima de características se deben adoptar diseños, tecnologías y detalles particulares.
• Las características difieren según:
Dimensiones; desde pequeños edificios comerciales hasta gigantescos centros de acopio distribución, exportación, etc.
Aplicación; según los productos a almacenar las condiciones del ambiente interno (grados de humedad, atmósferas controladas, movimientos de aire).
Temperaturas, para productos congelados y supercongelados (-60 °C), productos frescos a temperaturas rondando los O °C, temperaturas sobre cero para maduración, temperaturas en una amplia gama sobre cero para conservación de confituras, quesos, productos medicinales, productos de laboratorio, etc.
Basados también en esas condiciones particulares se debe definir el sistema de refrigeración adecuado, ya sea pequeños equipos autónomos individuales hasta salas de máquinas de gran capacidad y potencia.
El sistema de refrigeración seleccionado y su capacidad definen seguidamente la elección del gas refrigerante a adoptar.
Desde gases refrigerantes sintéticos para pequeñas plantas hasta refrigerante naturales para las plantas medianas y grandes.
En todos los casos es imperativo considerar las condiciones sustentables ecológicamente y de eficiencia energética (efectuar un estudio de energía preliminar) como premisas fundamentales no negociables.
La gama de temperaturas requeridas también influye fuertemente en la selección del refrigerante; temperaturas de congelación y muy bajas hacen casi excluyente la selección de refrigerantes naturales, R 717 amoníaco y R744 dióxido de carbono.
• Cargas térmicas:
Considerar que al diseño general, los aspectos constructivos, los materiales de construcción y el dimensionamiento de los equipos concurren las diversas cargas térmicas o aportes de calor, que incluyen:
Transmisión (a través de la aislación) , infiltración (a través de puertas) , calor de ventiladores, descongelamiento de equipos, calor de productos, iluminación, equipos de movimiento, maquinaria, personal, radiación y calefacción de pisos.
Los balances térmicos del proyecto merecen atención exhaustiva tomando en cuenta los perfiles anuales de carga térmica, estacionales, de utilización, y tarifas de electricidad favorables.
Centro de almacenamiento con norma LEED equipado por VMC Refrigeración.
Detalles constructivos.
Hay una serie de detalles genéricos a considerar en las fases previas al desarrollo del proyecto.
• Materiales de aislación térmica:
La mayoría de los edificios térmicos refrigerados son aislados utilizando paneles sandwich prefabricados.
El material aislante normalmente aplicado puede ser poliestireno expandido (EPS), poliuretano (PUR) y poliisocianurato (PIR).
En todos los casos deben satisfacer los requisitos normalizados, condiciones y costos de compañías de seguros respecto a resistencia a su inflamabilidad y la legislación de la zona de emplazamiento.
En menor o mayor grado estos tres tipos de materiales de aislación son aptos para construcciones normales. Las características básicas de cada tipo son:
Túnel de congelado con evaporadores con ventiladores de alta eficiencia.
• Sistemas de seguridad e incendio:
Normalmente se deben instalar sistemas internos de detección y combate de incendio. Su diseño, complejidad y tipo de equipos se definirán de acuerdo a Códigos vigentes en la región, tipo de construcción, primas de seguros, materiales empleados y dimensiones del edificio térmico.
Los sistemas son específicos para espacios refrigerados, la selección apropiada será de tipos con tuberías secas o con sprinklers de pre acción (monitoreados desde el sistema de detección).
• Detección adicional.
Se debe considerar instalar detectores de contaminación por gases refrigerantes en los espacios refrigerados.
Esto es válido para toda clase de refrigerantes, incluyendo los sintéticos y aún con el uso de soluciones secundarias ya que éstas podrían estar contaminadas por el refrigerante primario.
En el caso de amoníaco será integrado en el Sistema Central de Control y Monitoreo respetando las normas inherentes a este refrigerante.
• Deshumidificación:
Instalar sistemas de deshumidificación, no solo para facilitar la operatividad y protección de los productos sino también para neutralizar posibles situaciones de riesgos al personal propios a este tipo de edificios de bajas temperaturas, formación de hielo, sobre todo en áreas de desnivel de temperaturas, como ser proximidad de puertas automáticas.
• Calefacción de pisos:
En los espacios de baja temperatura se debe considerar la inclusión de calefacción entre la aislación de piso y la base de concreto para evitar la congelación del subsuelo y las desastrosas consecuencias al edificio que ello acarrearía.
Seleccionar sistemas que eventualmente puedan significar ahorros de energía utilizando calor residual generado en algunas partes del proceso.
• Válvulas compensadoras de presiones.
Se debe considerar imperativo incluir válvulas compensadoras entre las presiones internas y externas de las cámaras.
Los cambios en los volúmenes de aire causan substanciales diferenciales de las presiones internas y externas y pueden resultar en movimientos de los paneles y hasta daños estructurales.
• Sistemas de estiba y automatizados:
Debido a los altos requerimientos de capacidad los sistemas actuales de estiba (racks) son de gran densidad y complejidad, sumándose los equipos especiales en caso de almacenes con cierto grado de automatización, por ello es conveniente diseñar considerando que haya espacio suficiente para no comprometer la seguridad y velocidad de las operaciones.
Locales, espacios externos relacionados.
• Sala de máquinas:
Todos los equipos deben estar ubicados en un local independiente, con características constructivas acordes al servicio y al equipamiento alojado.
No pueden tener conexión directa con cualquier otro local del complejo, sus paredes y ejecución deben satisfacer los códigos de seguridad, incendio, inflamabilidad de materiales, dimensiones mínimas de acuerdo a normas, puertas de hermeticidad controlada y en cantidad y configuración reglamentaria, sistemas de ventilación y extracción de aire en operación normal y de emergencia, iluminación adecuada e instalación eléctrica de acuerdo al grado de zona clasificada.
Sala de máquinas con compresor a tornillos Howden-VMC con motor de alta eficiencia.
• Antecámaras y Docks de carga y descarga.
A efectos de disminuir la infiltración de aire exterior, que es un factor gravitante en la carga térmica y el consumo de energía del complejo, los docks deberían estar orientados para evitar enfrentar los vientos predominantes en la zona.
Se debe estudiar detenidamente la cantidad de puertas al exterior de estos espacios y el diseño de los docks de carga a los vehículos. Deben instalarse abrigos y sellos entre las puertas del Dock y las de los vehículos.
Los equipos de carga y descarga (autoelevadores) no deben estar nunca expuestos al ambiente exterior.
Antecámaras de túneles de congelado.
• Aspecto importante en el diseño de Antecámaras y Docks
de carga: infiltración.
La infiltración de aire (y por consiguiente el ingreso del mismo a mayor temperatura y humedad) es proporcional a la diferencia de temperatura entre los espacios y el ambiente exterior.
Por lo tanto se debe diseñar para obtener la temperatura de estos locales lo más bajas posibles.
– Cuando se trata de cámaras y movimientos de enfriados es razonable fijar una temperatura de Docks de +5ºC.
– En cambio, tratándose de congelados es sumamente recomendable fijar temperaturas tan bajas como 1ºC a 2ºC.
Aparentemente una primera impresión sería que estos son valores muy bajos.
Sin embargo para contradecir esto (y revisar algún concepto tradicional) se debe recordar que la generación de refrigeración para obtener estas temperaturas es substancialmente más económica que para generar las temperaturas de las cámaras de congelado, lo que sería el caso de tener que absorber la carga térmica del aire exterior a las condiciones de baja temperatura de las cámaras.
• Local carga de baterías.
Los locales para carga de baterías de auto elevadores eléctricos deben ser independientes y sin comunicación estrecha directa con los espacios refrigerados.
Este servicio implica riesgos de explosión o incendio por la eventual generación de gases.
Se debe diseñar un sistema de ventilación (ex proof) de los mismos de acuerdo a esta exigencia y a las normas que los regulen.
Estos locales deben ser monitoreados por el sistema central de control de alarmas.
Equipamiento adicional.
• Puertas:
A seleccionar de acuerdo al tráfico y movimiento de productos, normalmente de tipo automático, calefaccionadas en zonas de bajas temperaturas, complementadas con cortinas enrollables de alta velocidad, deben incluirse además puertas individuales para evitar ganancias de calor indeseables por movimientos de personas.
Ocasionalmente se puede considerar la instalación de aberturas con cámara intermedia
• Emergencias.
Se deben instalar puertas para escape de emergencia. Las mismas deben estar convenientemente ubicadas, señalizadas y ser de fácil accionamiento.
• Iluminación:
La gran altura interna de los depósitos actuales y lo intrincado del sistema de racks hacen necesario diseñar cuidadosamente la luminotecnia de las cámaras. No se deben producir zonas en sombras y en todos los espacios se debe contar con la intensidad adecuada a normas (promedio deseable 100 lux y mínimo 50 lux).
Además, se debe diseñar un sistema de iluminación de emergencia alimentado por fuente independiente a baterías y con ubicación e intensidad suficiente como para señalizar claramente las rutas de escape.
Refrigeración.
Refrigerantes.
Como se expresó previamente la elección del gas refrigerante es un paso previo importante en el desarrollo del proyecto.
Se deben evaluar condiciones de sustentabilidad, protección del medio ambiente, seguridad, compatibilidad con todos los rangos de temperaturas requeridas y economía operativa, energética y de reposición.
En este caso no se consideran opciones con refrigerantes sintéticos de menor o mayor agresividad al medio ambiente dado que su aplicación se reduce a capacidades sub medianas o pequeñas.
Se consideran tres opciones básicas:
– Refrigerante R 717 amoníaco en toda la planta en distintos tipos de sistemas según la aplicación.
– Refrigerante R717 amoníaco complementado con refrigerante secundario (agua, brines, soluciones) para sectores de media y alta temperatura, incluyendo climatización.
– Refrigerante R717 amoníaco con refrigerante R744 dióxido de carbono, ya sea éste como secundario o como etapa de ultra baja temperatura en un sistema “en cascada”.
Sistemas.
Paralelamente a la selección del refrigerante se debe definir el tipo de sistema de refrigeración, en base a las dimensiones de los edificios y las condiciones de temperatura de los bienes a proteger.
Como una generalidad se puede considerar que a partir de dimensiones medianas se implementan con refrigerantes naturales y de acuerdo con temperaturas de evaporación entre (valores arbitrarios):
• -30 ° C y -40 ° C dos etapas amoníaco.
• -10 ° C y -30° C una etapa amoníaco con “Economizador”.
• +5 ° C y -10 ° C una etapa amoníaco y eventualmente con fluido secundario.
• -40 ° C e inferiores: “cascada” amoníaco / dióxido de carbono.
Para menores dimensiones se consideran refrigerantes sintéticos de bajo GWP o, tendencia actual en crecimiento, sistemas con R744.
Configuración:
Previamente al diseño del sistema seleccionado se debe definir la configuración de los componentes principales (sobre todo compresores).
Habrá que definir el tipo, la capacidad individual y la cantidad que se consideren compatibles con el tipo de utilización comercial / operativa del complejo.
El objetivo es la economía energética a obtener en cada instancia de la operación.
Se debe seleccionar la cantidad de compresores como para tener capacidad de reserva suficiente pero no exagerada.
Deben ser del tipo y tamaño que posibilite la operación en todas las demandas térmicas en su condición de mejor eficiencia (COP).
Se puede incluir algún equipo con menor capacidad si se espera que en algunos períodos largos (ej. fines de semana) el complejo opere con poco movimiento y por consiguiente con carga térmica baja que penalice a los compresores de mayor capacidad a la requerida por el complejo.
Son decisiones a adoptar en el inicio del análisis ya que posteriormente juegan un papel vital en la economicidad del sistema.
Equipos:
Los sistemas, cualquiera fuere el Sistema definido, incluyen los siguientes equipos:
• Compresores:
Mayoritariamente se utilizan compresores de tornillo, aun cuando en aplicaciones de menor capacidad o condiciones particulares se continua instalando compresores de pistón.
Los compresores cuentan con regulación de capacidad por medio de válvulas internas deslizantes en el caso de los tornillos o por descargadores de cilindros en el caso de los de pistón.
En ambos tipos, pero sobretodo en los de tornillo, es tendencia que el método de control de capacidad sea por accionamiento por frecuencia variable (VFD).
Este método en ambos casos optimiza el consumo de energía ya que virtualmente elimina mayoritariamente la penalización en la eficiencia de los compresores causada por operación a cargas parciales.
El control por velocidad puede complementar y operar en combinación con control tradicional por válvula deslizante o descargas de cilindros.
Compresores a tornillo con motor eléctrico de alta eficiencia y variadores de velocidad para obtener el mejor COP en la condición de trabajo.
• Condensadores:
Son seleccionados de acuerdo a las condiciones ambientales de la región y a las características particulares del diseño.
Condensadores del tipo de casco y tubos o de placas refrigerados por agua proveniente de torres de enfriamiento o de cursos de agua cercanos, aunque esto es cada vez menos obtenible, recomendable o permitido.
Condensadores evaporativos, actualmente los más utilizados, inclusive en desarrollos tipo híbridos. Condensadores por aire, aconsejables en zonas frías, utilizados ocasionalmente para instalaciones de baja capacidad.
En todos los casos se debe analizar y especificar las condiciones de temperatura de diseño, ya que de su elección dependerá la real economicidad del ciclo y la correcta operatividad de los equipos involucrados.
En estos equipos, ya sea en las torres de enfriamiento o condensadores evaporativos, es fuertemente recomendable la optimización de las condiciones energéticas por medio del control de la velocidad de sus ventiladores por VFD.
En esta aplicación el beneficio en eficiencia es continuo a través de todo el tiempo de operación.
Un punto adicional a tener en cuenta en la operatividad posterior es adoptar las medidas necesarias para controlar el efecto “salmonella” en el agua de las torres de enfriamiento o de los condensadores evaporativos.
Condensadores evaporativos VMC con ventiladores de alta eficiencia accionados con variadores de velocidad.
• Enfriadores:
Los equipos aeroenfriadores de los espacios pueden ser intercambiadores de calor con refrigerante secundario en caso de sistemas indirectos o evaporadores con circulación/ evaporación del refrigerante primario.
Los materiales constructivos pueden ser tubos y aletas de acero galvanizados, tubos de acero inoxidable y aletas de aluminio.
Aún en los casos de refrigerante secundario (glicoles-agua) es desaconsejable utilizar tubos de cobre ya que, asumiendo que el refrigerante primario común es R717, la posibilidad de contaminación del glicol con amoníaco causaría averías sumamente perjudiciales en los equipos.
Es sumamente importante el dimensionamiento de los equipos; de su diseño correcto dependerán la eficiencia de los mismos, la economicidad operativa, el cumplimiento de todos los requisitos de temperatura, humedad, las condiciones ambientales de los espacios y productos.
Del correcto dimensionamiento también dependerá la preservación de la calidad y características de los productos a conservar.
Al margen de que se asuman equipos de tecnología adecuada que garanticen la performance térmica del equipo seleccionado, es mandatorio considerar que conceptualmente es sumamente aconsejable diseñar con superficies de intercambio generosas, economizar en este sentido equivale a degradar la economía a lo largo de toda la vida útil de la instalación.
Esto implica menores diferenciales de temperatura, con menor deshidratación de productos, junto con separación de aletas adecuada, menores ciclos de descongelamiento de equipos (fuente de incremento de consumo de energía malgastada).
Los ventiladores de los equipos son también decisivos en la performance de las cámaras, deben ser de alta eficiencia, con motores Premium, con flechas de aire adecuadas, accionados y controlados con velocidad variable según el requerimiento puntual instantáneo del espacio.
En lo posible diseñar sistemas de descongelamiento por gas caliente, alternativamente eléctrico.
Evaporadores para túneles de congelación, con ventiladores de alta eficiencia.
Sistemas de Control y Monitoreo.
La planta total de refrigeración debe ser controlada por un sistema central de supervisión y monitoreo.
A pesar de alguna prevención preliminar en contrario es aconsejable desarrollar el sistema más avanzado disponible en el momento de iniciación del proyecto o, como puede ser el caso, cuando se trate de una modernización o ampliación de un complejo existente.
El registro de todos los parámetros operativos, los eventos, la programación de intervención de los componentes en su mejor condición de seguridad y eficiencia operativa, la detección y registro de fallas, los programas de mantenimiento periódico, los históricos de condiciones operativas, históricos de consumos, colectar datos e interactuar con equipamiento auxiliar y de seguridad (incendio fugas, etc.), deben ser contemplados.
Los sistemas de control bien diseñados no solo responden ampliamente a los requerimientos operativos y de seguridad sino que además pueden encontrar los niveles de eficiencia operativa que en modos “manuales” o más básicos no son capaces de obtenerse.
Los almacenes refrigerados actuales, aún los de dimensiones modestas, cuentan con sistemas centrales inteligentes de control muy desarrollados, a estos sistemas superiores debe reportar y estar vinculado el sistema de supervisión de la planta frigorífica integrándose en un control total del complejo.
Particularmente todos los eventos que pueden afectar la seguridad deben ser reportados inmediatamente y ser accesibles por todos los sectores y organismos vinculados al tema.
Esto es además extremadamente importante cuando se refiere a la sanidad y seguridad del personal.
Panel de control para operación y monitoreo de las unidades compresoras.
Monitoreo de temperaturas de cámaras de refrigerado y congelación.
Equipamiento opcional a considerar.
Teniendo en cuenta que la geometría del edificio proyectado incluirá importantes superficies de techo libre es interesante considerar la inclusión de un sistema de generación de energía por células fotovoltaicas.
Estos múltiples y cada día perfeccionados sistemas pueden significar un substancial aporte a la economicidad general del complejo y una contribución a las políticas de generación de energía limpias.
Consideración final.
La cadena de frío constituye un factor fundamental en el desarrollo mundial, es vital en el caso de los alimentos desde su temprana refrigeración hasta su disponibilidad segura.
La carencia de sistemas de refrigeración adecuados en muchas regiones del planeta es causa de ingentes pérdidas de alimentos en momentos de situaciones críticas en grandes segmentos de la población mundial.
El buen diseño y ejecución de las cámaras, almacenes y complejos de almacenamiento refrigerado; en las medidas necesarias y optimizadas de acuerdo con su ubicación geográfica y destino; deben constituir la respuesta adecuada a esas necesidades.