Pruébelo con su propia cámara: nuestra calculadora de carga térmica para cámaras frigoríficas gratuita le indica la capacidad frigorífica necesaria en seis sencillos pasos.
El objetivo del cálculo de la carga frigorífica es seleccionar de forma correcta y económica los equipos del ciclo del sistema de refrigeración. Si los elementos del sistema de refrigeración se seleccionan correctamente, el sistema funcionará de forma eficiente y durante muchos años, tal como se espera.
En este artículo le explicamos cómo calcular la carga frigorífica de una cámara frigorífica. Primero analizaremos las fuentes de calor y después veremos, con un ejemplo simplificado, cómo se calcula la carga frigorífica de una cámara frigorífica.
La carga frigorífica se calcula en 4 grupos principales
1- Pérdidas de calor a través de las paredes, el suelo y el techo que rodean el volumen refrigerado
2- Aire caliente que entra en la cámara mientras la puerta de la cámara frigorífica está abierta
3- Carga térmica de los productos almacenados
4- Calor de las fuentes de calor del interior de la cámara (personas, iluminación, motores, etc.)
Teniendo en cuenta todas estas cargas térmicas, el espesor del panel sándwich se determina según el valor U y el país donde se construirá la cámara. Esta temperatura debe ser lo más baja posible. Aumentar el espesor del aislamiento y reducir la transmitancia térmica disminuye la carga frigorífica, pero aumenta el coste de la instalación. Aunque varía según las condiciones, supone proporcionalmente una necesidad de frío en el rango del 5-15 %.
Durante el diseño se incluye en el cálculo la pérdida de calor que se producirá por la puerta de la cámara frigorífica o por otras causas. Para que el cálculo sea correcto, debe conocerse el uso real de la cámara. Esta proporción se sitúa en el rango del 10-15% de la capacidad frigorífica total.
El principal factor que influye en la carga frigorífica son los productos que se introducen en la cámara. También debe tenerse en cuenta la carga frigorífica derivada del embalaje de los productos que se van a enfriar. El calor procedente de los productos supone el 55-70% de la capacidad total.
Por último, se tienen en cuenta otras fuentes que emiten calor dentro de la cámara. En este apartado deben considerarse el tiempo de trabajo, las personas que trabajan dentro, el desescarche, los motores eléctricos y el calor procedente de la iluminación. De aquí procede el 10-15% de la capacidad frigorífica total.
Ejemplo de cálculo de la carga frigorífica
Diseñemos un almacén de ejemplo con una cámara de 8.0*5.0*4.0 m, en la que se introducen 6 toneladas de producto al día y se almacenan de forma permanente 30 toneladas de manzanas.
1 -Cargas por transmisión
- Aire exterior (donde se encuentra el almacén) a 30°C con un 50% de humedad relativa; aire interior (condición deseada dentro del almacén) a 1°C con un 95% de humedad relativa.
- Las paredes, el techo y el suelo están aislados con poliuretano de 80 mm con un valor U de 0.28W / m2.K.
- Como en los almacenes industriales no conviene usar paneles de suelo por el paso de carretillas elevadoras, utilizaremos una placa aislante de XPS. Espesor 80 mm, U 0.42 W / m2.K
- La temperatura del suelo es de 10°C.
Para calcular la carga por transmisión utilizaremos una fórmula como esta:
Q = U x A x (Temperatura exterior – Temperatura interior) x 24 ÷ 1000
- Q = carga térmica en kWh / día
- U = valor U de aislamiento del panel sándwich (W / m2.K)
- A = superficie del techo, las paredes y el suelo (la calcularemos) (m2)
- Temperatura interior = temperatura del aire dentro de la cámara (°C)
- Temperatura exterior = temperatura ambiente exterior (°C)
- 24 = horas del día
- 1000 = conversión de vatios a kW.
Calcular «A» es bastante sencillo:
- Pared = 8m x 4m = 32 m2
- Pared = 8m x 4m = 32 m2
- Pared = 5m x 4m = 20m2
- Pared = 5m x 4m = 20m2
Techo = 5m x 8m = 40m2
Suelo = 5m x 8m = 40m2
El suelo debe calcularse por separado de las paredes y el techo, porque bajo el suelo la diferencia de temperatura es distinta y, por tanto, la transferencia de calor también lo será.
Paredes y techo
Q = U x A x (Temp. exterior – Temp. interior) x 24 ÷ 1000
Q = 0.28W / m2.K x 144 m2 x (30°C – 1°C) x 24 ÷ 1000
Q = 28.06 kWh / día
[144m2 = 32m2 + 32m2 + 20m2 + 20m2 + 40m2]
Suelo
Q = U x A x (Temp. exterior – Temp. interior) x 24 ÷ 1000
Q = 0.42W / m2.K x 40m2 x (10°C – 1°C) x 24 ÷ 1000
Q = 3.63 kWh / día
Ganancia de calor diaria total por conducción = 28.06 kWh/día + 3.63 kWh/día = 31.69 kWh/día
2- Carga de producto
En este paso calcularemos la capacidad frigorífica debida a los productos que se introducen en el almacén.
En este ejemplo almacenaremos manzanas. Si además de enfriar los productos va a realizar procesos como la congelación o un enfriamiento adicional, también deberá hacer cálculos de ganancia de calor por separado para ellos. En este ejemplo solo realizamos enfriamiento.
Cada día llegan al almacén 6.000 kg de manzanas a una temperatura de 10 °C y con una capacidad calorífica de 0.87 kcal/kg.
Para este cálculo podemos utilizar la siguiente fórmula:
Q = m x Cp x DT (Temperatura de entrada del producto – Temperatura en la cámara) / 860
- Q = kWh / día
- CP = capacidad calorífica específica de los productos (kJ/kg.°C)
- m = masa de los productos añadidos (kg)
- Temperatura de entrada del producto = temperatura de entrada del producto (°C)
- Temperatura dentro de la cámara frigorífica = temperatura en el interior de la cámara frigorífica (°C)
- 860 = factor de conversión de kcal a kWh
Cálculo
Q = m x C x (Temperatura de entrada del producto – Temperatura en la cámara frigorífica) / 860
Q = 6.000 kg x 0.87 kcal / kg°C x (10°C – 1°C) / 860
Q = 54.6 kWh / día
3-Cálculo de la carga frigorífica por respiración del producto
El siguiente paso es calcular la carga frigorífica debida a la respiración del producto. En este ejemplo utilizaremos un calor de respiración medio de 1.9kJ/kg al día para la manzana que se va a almacenar, aunque este valor varía con el tiempo y la temperatura. En nuestro diseño de ejemplo aplicamos un único valor solo para simplificar el cálculo, ya que esta carga frigorífica no se considera crítica. En nuestro diseño de ejemplo se almacenan 30.000 kg de manzanas en el almacén. Para calcularlo utilizaremos la siguiente fórmula:
Q = m x resp / 3600
- Q = kWh / día
- m = cantidad de producto en el almacén (kg)
- resp = resp = calor de respiración del producto (1.9kJ / kg)
- 3600 = convierte kJ en kWh.
Q = m x resp / 3600
Q = 30.000kg x 1.9kJ/kg / 3600
Q = 15.9 kWh / día
Es decir, al calcular la carga frigorífica del producto nuevo que entra en el almacén y la carga frigorífica debida a la respiración del producto, obtenemos una carga frigorífica total de 70.5 kWh/día
4 -Carga térmica interna – Cálculo de la carga frigorífica debida a las personas
La cantidad de calor que desprenden las personas que trabajan en la cámara varía según la temperatura y el volumen del almacén.
Si consideramos que en el almacén de manzanas que hemos diseñado trabajarán 2 personas durante 4 horas, la fórmula será la siguiente.
Q = número de trabajadores x tiempo x calor / 1000
- Q = kWh / día
- Número de trabajadores = número de personas que trabajan en el almacén
- Tiempo = tiempo que pasa cada persona en el almacén (horas)
- Calor = pérdidas de calor por persona y hora (vatios)
- 1000 = simplemente convierte vatios en kW
Cálculo:
Q = tiempo x número de trabajadores x potencia calorífica / 1000
Q = 4 horas x 2 personas x 271 vatios / 1000
Q = 2.16 kWh/día
Carga térmica interna – Cálculo de la carga frigorífica debida a la iluminación
En el siguiente paso calcularemos el calor que produce la iluminación. La fórmula que utilizaremos para este cálculo es:
Q = lámparas x tiempo x vatios / 1000
- Q = kWh / día,
- Lámparas = número de lámparas en la cámara frigorífica
- Horas = horas diarias de uso de la iluminación de la cámara frigorífica
- Vatios = potencia nominal de la iluminación
- 1000 = vatios a kW
Si hay 3 lámparas de 120W cada una que funcionan 4 horas al día, el cálculo sería:
Q = lámparas x tiempo x vatios / 1000
Q = 3 x 4 horas x 120W / 1000
Q = 1.44 kWh/día
Carga interna total: sumando la carga térmica de las personas (2.16 kWh / día) y la de la iluminación (1.44kWh / día) obtenemos un total de 3.6 kWh/día.
Carga de equipos – Cálculo de la carga frigorífica debida a los motores de los ventiladores
Ahora calculemos la carga térmica de los motores de los ventiladores de los evaporadores.
Q = ventiladores x tiempo x vatios / 1000
- Q = kWh/día
- Ventiladores = número de ventiladores
- Tiempo = tiempo de funcionamiento diario de los ventiladores (horas)
- Vatios = potencia nominal de los motores de los ventiladores (vatios)
- 1000 = vatios a kW.
El evaporador de esta cámara frigorífica utiliza 3 ventiladores de 300W cada uno y suponemos que funcionarán 16 horas al día.
Cálculo:
Q = ventiladores x tiempo x vatios / 1000
Q = 3 x 16 horas x 300 W / 1000
Q = 14.4 kWh / día
Carga de equipos – Cálculo de la carga frigorífica debida al desescarche
Ahora calcularemos la carga térmica debida al desescarche del evaporador. Para calcular esta carga utilizaremos la siguiente fórmula:
Q = Tiempo x Potencia x ciclos de desescarche x rendimiento
- Q = kWh / día,
- Potencia = potencia de la resistencia calefactora (kW)
- Tiempo = duración del desescarche (horas)
- Ciclos de desescarche = cuántas veces al día se produce el ciclo de desescarche
- Rendimiento = qué % del calor se transmite al ambiente
En este ejemplo, en nuestra cámara frigorífica se utilizan resistencias de 1.5 kW. Funcionan durante 20 minutos, 3 veces al día, y el 30% de toda la energía que consumen se transmite a la cámara frigorífica.
Q = 1.5kW x 0.33 horas x 3 x 0.3
Q = 0.45kWh/día
La carga frigorífica total de los equipos es la carga térmica de los ventiladores (14.4 kWh/día) más la del desescarche (0.45kWh/día), es decir, 14.85 kWh/día.
Cálculo de la carga frigorífica por infiltración
En esta fase hay que calcular la carga térmica debida a la infiltración de aire. Utilizamos la siguiente fórmula:
Q = volumen x energía x renovaciones x (Temperatura exterior – Temperatura interior) / 3600
- Q = kWh / d
- Renovaciones = número de renovaciones del volumen al día
- Volumen = volumen de la cámara
- Energía = energía por metro cúbico y grado Celsius
- Temperatura exterior = temperatura del aire exterior
- Temperatura interior = temperatura de la cámara frigorífica
- 3600= kJ a kWh.
Suponiendo que la puerta provocará 5 renovaciones del volumen de aire al día por la entrada y salida de producto del almacén, el volumen se calcula en 160m3, cada metro cúbico de aire nuevo aporta 2kJ /°C, el aire exterior está a 30°C y el aire dentro del almacén a 1°C.
Q = renovaciones x volumen x energía x (Temperatura exterior – Temperatura interior) / 3600
Q = 5 x 160m3 x 2kJ /°C x (30°C – 1°C) / 3600
Q = 12.88 kWh / día
Carga frigorífica total
Para calcular la carga frigorífica total, basta con sumar todos los valores calculados.
Carga por transmisión: 31.69 kWh / día
Carga de producto: 70.5 kWh / día
Carga interna: 3.6 kWh / día
Carga de equipos: 14.85 kWh / día
Carga por infiltración: 12.88 kWh / día
Total = 133.52 kWh / día
Factor de seguridad
Puede haber diferencias entre el diseño y la ejecución. Aunque varía según el proyecto, es posible absorberlas añadiendo un margen de entre el 5% y el 25%.
En este ejemplo utilizaremos un factor de seguridad del 10%. Por tanto, al multiplicar la carga frigorífica por un factor de seguridad de 1.1, obtenemos una carga frigorífica total de 146.87 kWh/día.
Cálculo de la capacidad frigorífica
Lo último que debemos hacer es calcular la capacidad frigorífica necesaria para eliminar del ambiente esta carga de ganancia de calor. Para ello, la carga frigorífica total calculada se divide entre 16, ya que el equipo se calcula para funcionar 16 horas al día. Esto significa que la capacidad que necesitará nuestra unidad de refrigeración debe ser de 146.87/16= 9.18 kW.
