Sistemas de refrigeracion y consumo energetico en fabricas de hielo

DESCRIPCIÓN DEL FABRICADOR  

Una máquina de hielo típica consiste en un sistema de refrigeracion, un sistema de alimentación de agua, carcasa y aislamiento. Una máquina de hielo tiene dos subsistemas principales: el sistema de refrigeracion y el sistema de suministro/circulación/purgado de vapor para producir la refrigeración necesaria en la producción de hielo.

Las máquinas de hielo usan condensadores refrigerados por agua o refrigerados por aire. Alrededor del 80% de las máquinas de hielo tienen condensadores refrigerados por aire. Aunque los condensadores refrigerados por agua incrementan ligeramente la eficiencia, resultan en un consumo de agua mucho mayor ya que el agua del condensador normalmente drena después de usarse para enfriar el condensador.    

SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN EN LAS FÁBRICAS DE HIELO  

Las plantas de hielo modernas en régimen continuo están diseñadas para funcionar las 24 horas del día, casi siempre sin personal de vigilancia. Por consiguiente, el sistema de refrigeración deberá estar diseñado de manera que sea altamente confiable, con dispositivos de seguridad para cualquier tipo de avería o mal funcionamiento previsibles.

La mayoría de los fabricantes de máquinas de hacer hielo especifican el sistema de refrigeración que debe utilizarse. El comprador deberá, pues, cerciorarse de que el sistema instalado sea apropiado para el funcionamiento automático sin personal, aparte del mantenimiento y los controles de rutina, y el sistema de control deberá cubrir todas las eventualidades, con dispositivos de autoprotección que permitan reanudar rápidamente las operaciones en cuanto se haya reparado una avería.

El sistema de refrigeración debería ser normalmente una unidad separada, que pueda mantenerse en buenas condiciones de funcionamiento mediante un sistema de control sencillo.

Una planta centralizada que atienda distintas necesidades de refrigeración requerirá un sistema de control más complejo, sobre todo si las necesidades de refrigeración varían de forma independiente, suelen tener unos costos de capital más bajos, pero cualquier deficiencia en su funcionamiento, en comparación con las unidades individuales, puede originar pérdidas de ingresos en otras esferas, por ejemplo por el deterioro de la calidad en los almacenes refrigerados o en los congeladores y cámaras frigoríficas asociados.

La mayoría de los refrigerantes comunes, tales como el amoniaco y los hidrocarburos halogenados se consideran normalmente adecuados para las plantas de hielo. La mayor parte de las máquinas de hacer hielo pueden funcionar con cualquiera de ellos. En algunos casos, la elección del refrigerante dependerá de la disponibilidad local y del costo. Sin embargo, hay muchos otros factores complejos que deben considerarse a la hora de seleccionar un refrigerante; de hecho, la elección del refrigerante, del tipo de compresor y del sistema de refrigeración debe dejarse en manos de un técnico competente.

En las instalaciones de unidades múltiples hay que prestar especial atención a la distribución del refrigerante, a fin de asegurar que cada máquina de hacer hielo cuente en todo momento con una cantidad suficiente. En todos los sistemas de refrigeración el colector del compresor contiene aceite que puede llegar a introducirse en la máquina de hacer hielo y ensuciar la parte refrigerante de las superficies de enfriamiento, reduciendo así la capacidad de la máquina.

Los sistemas de refrigeracion están dotados de separadores de aceite para reducir al mínimo este peligro, pero también es necesario asegurarse de que haya un buen retorno de aceite desde la máquina de hacer hielo, a fin de evitar su acumulación en la mezcla. Esta función suele estar incorporada en el diseño de la unidad, pero en algunos modelos es preciso seguir las instrucciones del fabricante para eliminar el aceite de la máquina a intervalos frecuentes.   

COMPONENTES DEL SISTEMA DE REFRIGERACION

Los componentes del sistema de refrigeracion incluyen:

  • Compresor: Típicamente recíprocos convencionales con capacidades entre 1/3 y 3 hp, dependiendo de la capacidad de la máquina.
  • Condensador: Intercambiador de calor de tubos concéntricos refrigerados por agua o tubos de aletas refrigerados con aire. Los condensadores de agua fría están diseñados de forma que la temperatura de condensación está – 6 ºC y – 4 ºC por encima de la temperatura ambiente. Los condensadores de agua fría están controlados para mantener una temperatura de condensación preseleccionada constante variando los caudales de agua.
  • Dispositivos de expansión: Válvulas de expansión termostáticas y tubos capilares.
  • Evaporador: Típicamente el diseño consiste en tubos de cobre fijados a superficies de hacer hielo de acero inoxidable o cobre.
  • Intercambiadores de calor de la línea de succión/línea de líquido.
  • Tuberías de refrigerantes.
  • Líneas de bypass de gas caliente: Esto dirige el refrigerante desde el compresor al evaporador para obtener el hielo.
  • Válvula de solenoide de gas caliente: Controla el flujo de refrigerante al condensador durante la producción de hielo y al evaporador durante la producción de hielo.
  • Puede tener un acumulador de succión.

El refrigerante R-404A es el refrigerante principal usado en todas las máquinas de hielo hoy en día.          

ENERGÍA NECESARIA  

Hay dos aspectos que han de tenerse muy en cuenta. La energía consumida en la fabricación de una tonelada de hielo es importante, ya que influye en los costos de fabricación del hielo mismo.

Por otra parte, la energía instalada también reviste interés, ya que determinará el equipo de suministro de energía que necesitará la fábrica. La energía necesaria para producir una tonelada de hielo no es una constante: varía según el tipo de maquinaria y el régimen de funcionamiento.

Las instalaciones que operan con bajas temperaturas en la máquina de hacer hielo, como las de hielo en escamas, tienen un mayor consumo de energía, al igual que las que operan con altas temperaturas de enfriamiento del condensador y con agua de relleno caliente. Por consiguiente, el funcionamiento de una fábrica será más caro en las zonas tropicales que en los climas templados.

El desescarchado se suma también a la carga de la refrigeracion, elevando las necesidades de energía. Por eso las fábricas de hielo en tubos y en placas tienen una necesidad mayor respecto de las que producen hielo en escamas, en las que el hielo se extrae sin necesidad de desescarchado. Esta es la razón principal por la que una máquina de hacer hielo con proceso de desescarchado no puede producir de manera económica hielo con un espesor muy inferior a 10 mm; por debajo de ese espesor, la proporción de energía que absorbe el proceso de desescarchado es excesiva.

Los modelos grandes suelen operar con más eficiencia que los pequeños, y una fábrica de hielo utilizada plenamente será más eficiente que otra que funcione de manera intermitente o con una carga de refrigeración reducida.

Hay otros factores que determinan también las necesidades de energía, como la elección del refrigerante y el tipo de sistema de refrigeracion utilizado.

En los climas en que el agua de relleno es excesivamente caliente, su enfriamiento previo en un refrigerador separado puede reducir las necesidades de energía. Así pues, es difícil determinar con precisión las necesidades de energía de una fábrica de hielo, debido a que dependen no sólo del tipo de maquinaria, sino también de las condiciones ambientales y del régimen de funcionamiento. Por consiguiente, habrá que proceder con cautela cuando se manejen cifras de consumo de energía proporcionadas por el fabricante sin una clara indicación de las condiciones de funcionamiento a las que se aplican.

Puede haber otras necesidades de energía para los transportadores, los trituradores y un sistema de refrigeracion separado para el almacén de hielo. Sin embargo, no es probable que estas otras necesidades sean grandes, y como casi todas ellas son de carácter intermitente, el total será pequeño en comparación con las cifras de la máquina de hacer hielo. No obstante, todo equipo eléctrico deberá tenerse en cuenta a la hora de calcular la demanda máxima de energía, que nominalmente será de 1,5 a 3,8 kW (2 a 5 hp) por cada tonelada de hielo hecha cada día.

La fabricación de hielo se corresponde normalmente con una industria de servicios, por lo que la continuidad del suministro es indispensable.

Una adecuada capacidad de almacenamiento permitirá superar las averías breves, los paros por mantenimiento y los cortes del suministro de energía, pero en las zonas en que tal suministro no sea seguro tal vez la fábrica deba tener su propio generador.

Otra posibilidad es que el equipo esencial de refrigeración esté accionado por un motor de acoplamiento directo con un pequeño generador auxiliar. En estos casos se requiere una atenta planificación, a fin de evitar la utilización poco económica de un generador grande para mantener un suministro muy inferior a su capacidad nominal.  

Consumo energetico en fabricas de hielo

El rendimiento de la máquina de hielo (capacidad, consumo de energía, y consumo de agua) se presenta usualmente en condiciones de temperatura ambiente de 32 ºC y temperatura del agua de 21 ºC y una presión del agua de alimentación. El consumo energético por de las máquinas de hielo disminuye con la capacidad unitaria de producción de las máquinas. Es decir, las máquinas pequeñas tienen mayor consumo. A partir de 250 kg de producción por día se estabiliza el consumo.

El consumo de las máquinas de hielo varía según los siguientes factores:

  • Enfriamiento del condensador por agua o aire.
  • Kg de hielo producido por unidad de tiempo.
  • Forma del hielo: cubitos, copos o escamas.

En general podemos decir que el consumo de las máquinas de hielo se mueve entre 3,4 kWh/50 kg y 7 kWh/50 kg.  

Los medios para disminuir el consumo energetico de las máquinas de hielo son los siguientes:

  1. Compresores más eficientes: Las capacidades nominales de los compresores en las máquinas pequeñas son 1/2 o menos, incrementándose a 3/4 hp para máquinas con rangos de capacidad de 350- 500 lb/día, incrementándose a 2 hp las máquinas con capacidades superiores a 1000 lb/día. Conforme se incrementa la capacidad del compresor se incrementa la eficiencia. Las eficiencias de los compresores más pequeños se encuentra en un rango del 45-50 % a más de 60 % en los tamaños grandes.
  2. Pérdidas de calor ambiental reducida: Las máquinas de hielo más grandes tienden a tener compartimentos fríos que tienen menos área de superficie expuesta al ambiente por unidad de producción de hielo y usualmente tienen compartimentos fríos mejor aislados.
  3. Consumo de agua reducido: Las máquinas de hielo más pequeñas tienden a tener un consumo de agua mayor debido a que los fabricantes tienden a usar cárter sobredimensionado en el deseo de maximizar el uso de componentes comunes. Temperatura de evaporación menor.  

La variación de eficiencia energetica en un rango de capacidades pequeño depende de la selección de componentes del fabricante y de las estrategias de fabricación. Los fabricantes intentan maximizar el uso de componentes comunes en toda la línea de producción, lo cual incluye armarios, tamaño de evaporador, y cárter de agua y la compensación del nivel de eficiencia del compresor y costes. Las máquinas más eficientes tienden a tener evaporadores más grandes para un nivel de producción dado, resultando en temperaturas de operación más altas y un COP de operación resultante más alto.  

Más información sobre el hielo en el post: El hielo y su fabricación

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