El enfriamiento de procesos elimina el calor de los equipos de producción, materiales u operaciones de fabricación para mantener las temperaturas requeridas por el proceso. Ayuda a controlar la calidad del producto, proteger los equipos y garantizar la estabilidad de la producción. Los sistemas de enfriamiento pueden utilizar aire, líquidos en circulación, refrigerantes o hielo.
La temperatura requerida, la velocidad de enfriamiento y las condiciones de contacto determinan el sistema adecuado. Este artículo explica cómo funcionan los sistemas comunes, dónde el hielo ofrece ventajas prácticas y qué condiciones operativas guían la selección del sistema.
¿Cómo funciona el enfriamiento de procesos?
El enfriamiento de procesos transfiere calor desde un proceso más cálido hacia un medio más frío, que se encarga de llevarse dicho calor.
En un sistema típico de agua refrigerada:
- El agua fluye a través de un intercambiador de calor, una camisa de equipo o un canal de enfriamiento y absorbe calor.
- El agua calentada regresa a un enfriador.
- El enfriador transfiere el calor del agua hacia su circuito de refrigeración.
- Un condensador libera ese calor al aire exterior o a un sistema separado de agua de enfriamiento. El agua enfriada regresa a la producción.
Un enfriador seco sigue una ruta distinta, liberando directamente el calor del fluido al aire ambiente. El hielo absorbe calor al fundirse, por lo que puede proporcionar enfriamiento en un momento y lugar distintos de donde fue producido.
Métodos fundamentales de enfriamiento de procesos y topologías de sistema
Un sistema de enfriamiento requiere un medio para circular su fluido refrigerante y equipos para absorber y disipar calor. Estas partes cumplen funciones diferentes, por lo que es necesario comparar tanto sus funciones como su disposición.
Sistemas hidrónicos de circuito abierto y de circuito cerrado
Los sistemas hidrónicos transportan calor mediante agua o una mezcla basada en agua. En un sistema de circulación abierto, como una torre de enfriamiento abierta, el agua entra en contacto con el aire exterior. La evaporación concentra minerales y los contaminantes atmosféricos pueden ingresar al agua, generando la necesidad de tratamiento del agua.
Un circuito de proceso cerrado mantiene su fluido separado del aire exterior, ayudando así a controlar la calidad del fluido que llega al equipo. El circuito de proceso y el circuito de rechazo de calor pueden adoptar distintas configuraciones. En una torre de enfriamiento de circuito cerrado, el fluido de proceso permanece dentro de un serpentín, mientras que el agua de rociado fuera del serpentín se evapora. El circuito de proceso permanece cerrado, pero el lado de rechazo de calor sigue perdiendo agua por evaporación.
Tecnologías comunes de enfriamiento y sus funciones
Varias de estas tecnologías pueden funcionar conjuntamente en una misma instalación.
| Tecnología | Función principal | Condiciones operativas útiles | Restricción principal |
| Enfriador seco | Libera el calor del fluido al aire exterior | La temperatura del fluido requerida debe ser suficientemente superior a la temperatura del aire exterior | El rendimiento sigue la temperatura ambiente |
| Torre de enfriamiento | Enfría el agua circulante mediante evaporación | Adecuada para el enfriamiento de agua de proceso o la disipación de calor del condensador | Temperatura de bulbo húmedo y gestión del agua |
| Enfriadora | Utiliza refrigeración para enfriar agua o una mezcla de agua y glicol anticongelante | Temperaturas controladas del fluido, incluso por debajo de las condiciones ambientales | La capacidad y la potencia varían con las temperaturas de funcionamiento |
| Expansión directa | Evapora el refrigerante en la superficie de enfriamiento | Equipos diseñados para el enfriamiento directo con refrigerante | Distribución y control del refrigerante |
| Sistema basado en hielo | Absorbe calor mediante la fusión del hielo | Enfriamiento por contacto, suministro de hielo-agua o enfriamiento almacenado | Suministro de hielo, manipulación y capacidad de fusión |
| Sistema criogénico | Utiliza sustancias muy frías, como nitrógeno líquido | Tareas especializadas de baja temperatura o enfriamiento rápido | Suministro consumible y controles específicos de la aplicación |
Tanto las enfriadoras refrigeradas por aire como las refrigeradas por agua pueden suministrar agua fría a un proceso. Sus nombres describen cómo sus condensadores disipan el calor.
El papel del hielo en el enfriamiento de procesos
El hielo puede enfriar un material directamente, enfriar el agua circulante o almacenar frío para su uso posterior. El proceso debe adaptarse a la temperatura de fusión del hielo, a la forma en que entra en contacto con el material y al programa de suministro.
Calor sensible y calor latente en el enfriamiento
La transferencia de calor sensible cambia la temperatura de un material sin alterar su estado físico. El agua fría se calienta al absorber calor de un proceso. El calor latente es el calor implicado en un cambio de estado. El hielo de agua dulce cercano a 0 °C absorbe aproximadamente 334 kJ/kg al fundirse en agua a la misma temperatura. Esta absorción adicional de calor resulta útil en procesos que limitan la cantidad de agua que puede añadirse.
La forma del hielo afecta al contacto, a su manipulación y al comportamiento de fusión. En condiciones comparables, cambiar la forma no incrementa el calor absorbido por una masa igual de hielo en fusión. Otros sistemas de enfriamiento también utilizan cambios de fase: los refrigerantes se evaporan en los circuitos de refrigeración y el agua se evapora en las torres de enfriamiento.
Enfriamiento directo con hielo
En el enfriamiento por contacto directo, el hielo toca el producto o se mezcla en el proceso. Absorbe calor al calentarse y fundirse. Piezas finas procedentes de máquinas de hielo en escamaspueden distribuirse uniformemente alrededor de productos irregulares o dosificarse en una mezcladora. Las piezas más grandes pueden requerir trituración o más tiempo para mezclarse.
El proceso debe aceptar el agua añadida y el hielo debe cumplir sus requisitos de calidad. Cuando el hielo es un ingrediente, debe incluirse en la cantidad total de agua permitida en la receta. Si el contacto directo no es adecuado, un circuito separado de agua helada y un intercambiador de calor pueden mantener el agua de refrigeración alejada del producto.
Refrigeración con agua enfriada por hielo
La fusión del hielo puede enfriar agua que circula a través de una camisa o un intercambiador de calor. El agua absorbe el calor del proceso y regresa para ser enfriada nuevamente, sin añadir hielo sólido directamente al material. La temperatura de suministro depende del caudal de agua, la mezcla, el contacto con el hielo y el calor entrante. Incluso cuando la mezcla de hielo y agua está cerca de su punto de fusión, el producto puede permanecer más cálido.
Por ejemplo, 100 kg de hielo de agua dulce a 0 °C absorben aproximadamente 9,3 kWh de calor durante su fusión. Utilizar ese enfriamiento dentro de una hora requiere una potencia media de refrigeración de 9,3 kW. El sistema de circulación y el intercambiador de calor deben ser capaces de suministrar dicha potencia; simplemente disponer de suficiente hielo almacenado no es suficiente.
Almacenamiento térmico de energía mediante hielo
El almacenamiento térmico de energía mediante hielo permite fabricar hielo con antelación a la demanda y fundirlo cuando se necesite refrigeración. Esto puede reducir la demanda eléctrica máxima o desplazar las compras de electricidad a periodos de menor costo. En los sistemas de almacenamiento parcial, el enfriador y el hielo almacenado suministran refrigeración conjuntamente. En los diseños de almacenamiento total, toda la refrigeración se suministra desde el almacenamiento durante todo el periodo planificado de descarga.
Compare el consumo energético durante todo el ciclo, incluyendo la carga, las pérdidas de almacenamiento, las bombas y la refrigeración útil entregada. Una factura eléctrica más baja no implica necesariamente un menor consumo de kilovatios-hora. Para la producción de hielo, la medición del consumo eléctrico por tonelada de hieloayuda a distinguir el consumo energético real de la potencia nominal de la máquina.
Aplicaciones industriales críticas de la refrigeración de procesos
Defina el resultado de refrigeración antes de seleccionar el equipo. Una temperatura del producto, una condición de reacción o un límite de temperatura durante la mezcla otorgan al sistema una tarea específica que debe cumplirse.
Procesamiento de alimentos y bebidas
La refrigeración controla las temperaturas de los alimentos durante la producción y el manejo. La mezcla puede calentar masas de pan o mezclas cárnicas, mientras que la fermentación genera calor que debe eliminarse. El hielo resulta adecuado para procesos que aceptan contacto directo o agua añadida en la receta. Donde el fluido refrigerante debe mantenerse separado, los equipos con camisa o los intercambiadores de calor proporcionan refrigeración sin mezclar los fluidos. El manejo de productos pesqueros requiere considerar tanto la refrigeración inicial como la carga de mantenimiento de los pescados. La primera elimina el calor del pescado; el hielo adicional absorbe el calor que entra durante el almacenamiento y el transporte.
Procesamiento químico
El enfriamiento elimina el calor de reacción para mantener los procesos químicos a la temperatura necesaria para una producción constante. Las camisas y los intercambiadores de calor pueden mantener el refrigerante separado de los productos químicos. La adición directa de hielo solo es adecuada cuando la química permite agregar agua y la dilución resultante. La capacidad de enfriamiento debe dimensionarse según la forma en que la reacción libera calor, ya que una carga diaria promedio por sí sola puede pasar por alto esa demanda.
Producción de hormigón
El enfriamiento de los ingredientes del hormigón reduce la temperatura del hormigón fresco. El hielo puede sustituir parte del agua de mezcla y absorber calor al fundirse.
Su cantidad debe ajustarse dentro del límite total de agua permitido por lote. La cantidad necesaria varía según las temperaturas de los ingredientes, la humedad de los áridos, las condiciones de mezcla y la temperatura requerida del hormigón. Una temperatura inicial más baja facilita el control térmico, aunque no puede prevenir toda forma de fisuración térmica.
Diferencias clave entre enfriamiento industrial y enfriamiento para confort
El enfriamiento industrial controla las temperaturas de producción, mientras que el enfriamiento para confort mantiene las condiciones interiores para las personas. Por lo tanto, sus cargas y requisitos operativos se definen de forma distinta.
El diseño del enfriamiento para confort considera el calor que ingresa al edificio, la ocupación, la temperatura y la humedad. El diseño del enfriamiento industrial comienza con el calor generado por los equipos o materiales, y luego tiene en cuenta las temperaturas objetivo, los tiempos de producción y la compatibilidad de los fluidos.
Un proceso puede funcionar de forma continua o por lotes, con una tolerancia de temperatura estrecha o amplia. La operación continua y un nivel fijo de precisión no son requisitos para todos los procesos. En una cervecería, por ejemplo, el aire acondicionado sirve a las oficinas y a las habitaciones ocupadas, mientras que un circuito independiente enfría los tanques de fermentación.
Cómo elegir un sistema de enfriamiento industrial
Un sistema de agua circulante es una opción inicial para enfriamiento continuo que mantiene el refrigerante separado del proceso. Utilice un enfriador (chiller) cuando la disipación de calor ambiental no pueda mantener la temperatura de suministro requerida. El hielo directo es adecuado para procesos que admiten contacto, mientras que el almacenamiento puede cubrir la brecha entre el horario de demanda de enfriamiento y el horario de producción.
Requisitos de enfriamiento y dimensionamiento del sistema
Comience con el calor que debe eliminarse y el tiempo disponible para hacerlo. Para un lote sin cambio de fase:
Calor eliminado (kJ) = masa (kg) × calor específico medio[kJ/(kg·K)]× descenso de temperatura (K)
El calor específico mide la transferencia de calor por unidad de masa y por grado. Divida la cantidad de calor por el tiempo de enfriamiento en segundos para obtener la capacidad media de enfriamiento en kW. Para el enfriamiento en flujo continuo, utilice el caudal másico en kg/s en lugar de la masa por cargas. La selección del equipo también debe tener en cuenta la carga máxima simultánea y cualquier amortiguación disponible. Incluya el calor generado por los equipos, las reacciones químicas y el entorno, cuando sea relevante.
Para los sistemas de hielo, calcule por separado la producción diaria y la entrega máxima. Un máquina de hielo en escamas de 2 toneladasindica una producción de 2 000 kg cada 24 horas a una temperatura ambiente de 30 °C y una temperatura de entrada del agua de 20 °C. Estas cifras no determinan su rendimiento en condiciones ambientales más cálidas ni la cantidad de hielo disponible durante un turno corto.
Estrategias operativas y optimización del sistema
Mantenga limpias las superficies de transferencia de calor y realice el tratamiento del agua para que el sistema logre la temperatura y el caudal de proceso requeridos. Ajuste la operación del compresor a las variaciones de carga. Se pueden utilizar bombas o ventiladores de velocidad variable cuando el equipo y los requisitos mínimos de caudal lo permitan.
En condiciones meteorológicas adecuadas, el enfriamiento gratuito aprovecha las condiciones ambientales para reducir la operación del enfriador. Ajuste los puntos de consigna de temperatura dentro del rango aceptable del proceso y compare el consumo energético con la producción útil bajo condiciones similares para detectar cambios en el rendimiento.
Para un proyecto basado en hielo, proporcione sus condiciones operativas, incluyendo el material, el caudal, las temperaturas iniciales y finales, el tiempo de enfriamiento y la ubicación del sitio. Estos datos ayudan a determinar la capacidad requerida de producción de hielo, así como la configuración necesaria de almacenamiento y distribución.
Fuentes externas
- Trane: Enfriamiento de procesos
- Departamento de Energía de Estados Unidos: Enfriamiento de procesos y climatización (HVAC)
- Baltimore Aircoil Company: Torres de enfriamiento de circuito cerrado
- FAO: Naturaleza y propiedades del hielo
- Baltimore Aircoil Company: Almacenamiento térmico con hielo
- FHWA: Control de la temperatura del hormigón y enfriamiento de los ingredientes
