Scientia et Technica Año XXVII, Vol. 27, No. 04, diciembre de 2022. Universidad Tecnológica de Pereira. ISSN 0122-1701 y ISSN-e: 2344-7214
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Modelos de predicción de las cargas térmicas en
una cámara frigorífica de productos cárnicos
Prediction models of thermal loads in a meat products cold room
I. Benítez-Cortés ; O. L. Reina-Estrada ; D. Hernández-Rojas ; R. González de la Cruz
; O. A. Velazco Rosell ; A. Pérez Sánchez
DOI: https://doi.org/10.22517/23447214.24740
Artículo de investigación científica y tecnológica
Abstract—The present work was carried out in the Industrial
Center "2 de Diciembre", located in Camagüey, Cuba with the
objective of obtaining mathematical models that characterize the
thermal loads of the freezing tunnel, depending on the inlet
temperature and the quantity of meat. It was observed that there
is a direct relationship between the amount of meat to be cooled
and the power demanded, that as the input temperature of the
meat increases, the power demanded increases, being this value
higher for the greater quantity of meat to be stored, as well as
that the heat demanded decreases when the inlet temperature of
the frozen meat increases. The mathematical models obtained are
of great importance for the company since through them it is
possible to predict energy consumption for the concept of cooling
and freezing the meat, thus predicting the influence of the factors
of quantity and temperature of the meat inlet on the energy needs
of the company. The NEVERA software was used to obtain the
numerical results, while the statistical package Statgraphics
®
Plus version 5.1 was used for the statistical processing of the data
obtained.
Index Terms — Heat required, cold room, mathematical model,
power demanded, meat products.
Resumen—El presente trabajo se llevó a cabo en el Centro
Industrial “2 de Diciembre”, ubicado en Camagüey, Cuba con el
objetivo de obtener modelos matemáticos que caracterizan las
cargas térmicas del túnel de congelación, en función de la
temperatura de entrada y la cantidad de carne. Se observó que
Este manuscrito fue enviado el 01 de junio de 2021 y aceptado el 25 de
noviembre de 2022.
I. Benítez Cortés, Profesor Titular de la Facultad de Ciencias Aplicadas de
la Universidad de Camagüey, Carretera Circunvalación Norte, km 5 ½,
Camagüey, Cuba. (email: isnel.benites@reduc.edu.cu).
O. L. Reina Estrada, Especialista de la Unidad Empresarial de Base
COMAT, Empresa Militar Ignacio Agramonte y Loynaz, Circunvalación
Norte km. 8 ½, Camagüey, Cuba. (email: francys65@nauta.cu).
D. Hernández Rojas, Especialista de la Unidad Empresarial de Base
COMAT, Empresa Militar Ignacio Agramonte y Loynaz, Circunvalación
Norte km. 8 ½, Camagüey, Cuba. (email: daynet.hernandez@nauta.cu).
R. González de la Cruz, Profesor Auxiliar Consultante de la Facultad de
Ciencias Aplicadas de la Universidad de Camagüey, Carretera Circunvalación
Norte, km 5 ½, Camagüey, Cuba. (email: raul.gonzalez@reduc.edu.cu).
O. Velazco Rosell, Especialista del Laboratorio Físico-Químico, Centro de
Ingeniería Ambiental de Camagüey, Avenida Finlay km. 2 ½, Camagüey,
Cuba. (email: osmani@ciac.cu).
A. Pérez Sánchez. Profesor Instructor de la Facultad de Ciencias Aplicadas
de la Universidad de Camagüey, Carretera Circunvalación Norte, km 5 ½,
Camagüey, Cuba. (email: amauryps@nauta.cu).
existe una relación directa entre la cantidad de carne a enfriar y
la potencia demandada, que a medida que aumenta la
temperatura de entrada de la carne la potencia demandada
aumenta, siendo mayor este valor para la mayor cantidad de
carne a almacenar, así como también que a medida que aumenta
la temperatura de entrada de la carne congelada, el calor
demandado disminuye. Los modelos matemáticos obtenidos son
de gran importancia para la empresa ya que mediante ellos se
puede predecir los consumos energéticos por concepto de
enfriamiento y congelación de la carne, pronosticando así la
influencia de los factores cantidad y temperatura de entrada de la
carne en las necesidades energéticas de la empresa. Para la
obtención de los resultados numéricos se utilizó el software
NEVERA, mientras que para el procesamiento estadístico de los
datos obtenidos se empleó el paquete estadístico Statgraphics
®
Plus versión 5.1.
Palabras claves — Calor demandado, cámara frigorífica,
modelo matemático, potencia demandada, productos cárnicos.
I. INTRODUCCIÓN
A
refrigeración
y
sus
diferentes
aplicaciones
son
encontradas en casi cada rama de la industria. La
refrigeración es el proceso de remover calor, y la aplicación
práctica
que
presenta
radica
en
producir
o
mantener
temperaturas por debajo del ambiente, siendo los principios
básicos aplicados aquellos relacionados con la termodinámica.
El calor es una de las muchas formas de la energía y surge
principalmente a partir de fuentes químicas. El calor de un
cuerpo es su energía térmica o interna, y un cambio de esta
energía puede mostrarse como un cambio de temperatura o un
cambio entre los estados sólido, líquido o gaseoso [1].
Un refrigerante es cualquier cuerpo o sustancia que actúa
como agente de enfriamiento absorbiendo calor de otro cuerpo
o sustancia. Con respecto al ciclo compresión de vapor, el
refrigerante es el fluido de trabajo del ciclo el cual
alternativamente se evapora y se condensa, absorbiendo y
cediendo calor respectivamente. Para que un refrigerante sea
apropiado y se le pueda usar en un ciclo de compresión de
vapor, debe poseer ciertas propiedades químicas, físicas y
termodinámicas que lo hagan seguro y económico durante su
uso [2].
Los
denominados
sistemas
frigoríficos
o
sistemas
de
L
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refrigeración corresponden a arreglos mecánicos que utilizan
propiedades termodinámicas de la materia para trasladar
energía térmica en forma de calor entre dos o más focos,
conforme se requiera. Están diseñados primordialmente para
disminuir la temperatura del producto almacenado en cámaras
frigoríficas o cámaras de refrigeración las cuales pueden
contener una variedad de alimentos o compuestos químicos,
conforme especificaciones [3].
Existen dos tipos o configuraciones fundamentales de
sistemas de refrigeración, la de absorción y por compresión de
vapor. El sistema de compresión de vapor es el método más
extendido a nivel mundial para la producción de frío
utilizándose en gran parte de aplicaciones en refrigeración
doméstica, comercial, industrial y climatización. Este tipo de
instalaciones suponen un alto porcentaje de consumo
energético y pueden suponer un alto impacto económico y
medioambiental [4].
El proceso de refrigeración por compresión se logra
evaporando un fluido refrigerante en fase líquida a través de
un dispositivo de expansión dentro de un intercambiador de
calor, denominado evaporador. Para evaporarse este requiere
absorber calor latente de vaporización. Al evaporarse el
líquido refrigerante cambia su fase a vapor. Durante el cambio
de fase el refrigerante como vapor absorbe energía térmica del
medio en contacto con el evaporador, bien sea este medio
gaseoso o líquido. A esta cantidad de calor contenido en el
ambiente se le denomina carga térmica. Luego de este
intercambio energético, un compresor mecánico se encarga de
aumentar la presión del vapor para poder condensarlo dentro
de otro intercambiador de calor conocido como condensador.
En este intercambiador se liberan del sistema frigorífico tanto
el calor latente como el sensible, ambos componentes de la
carga térmica. Ya que este aumento de presión además
produce un aumento en su temperatura, para lograr el cambio
de fase del fluido refrigerante y producir el sub enfriamiento
del mismo es necesario enfriarlo al interior del condensador;
esto suele hacerse por medio de aire y/o agua conforme el tipo
de condensador, definido muchas veces en función del
refrigerante. De esta manera, el refrigerante ya en fase líquida,
puede evaporarse nuevamente a través de la válvula de
expansión y repetir el ciclo de refrigeración por compresión
[3].
Una cámara frigorífica es todo local aislado térmicamente
en cuyo interior pueden mantenerse razonablemente
constantes la temperatura y la humedad relativa requeridas
mediante la acción de una instalación frigorífica [5]. Existen
varios tipos de cámaras frigoríficas, siendo las más
importantes las siguientes [5]:
Cámara frigorífica para productos congelados: Cámara
frigorífica concebida para recibir y almacenar alimentos
y productos alimentarios previamente congelados.
Cámaras frigoríficas para productos refrigerados:
Cámara frigorífica concebida para recibir y almacenar
alimentos y productos alimentarios previamente
refrigerados.
Cámara frigorífica bitempera: Cámara frigorífica
concebida para recibir y almacenar, alternativamente,
alimentos y productos alimentarios previamente
refrigerados o congelados.
Cámara frigorífica mixta: Se denominan mixtas
(enfriamiento y conservación refrigerada) aquellas con
suficiente capacidad frigorífica instalada para poder
enfriar en un plazo máximo de veinticuatro horas los
productos introducidos en las mismas a temperatura
ambiente, manteniéndolos luego a la temperatura de
almacenamiento refrigerado adecuada.
En el estudio y diseño de estos sistemas frigoríficos se
aplican diversas ciencias, tales como la química en las
propiedades y composición de los refrigerantes; la
termodinámica, en el estudio de las propiedades de la materia
y su energía interna; la transferencia de calor, en el estudio de
intercambiadores de calor y soluciones técnicas; la ingeniería
mecánica, en el estudio de compresores de vapor para lograr el
trabajo de compresión requerido; la electricidad desde los
tradicionales conocimientos en corrientes trifásicas para la
alimentación de los equipos, así como también los
conocimientos relativamente avanzados en automatización y
de PLC (Programmable Logic Controller), para el control
automático que estos requieren cuando están operando en una
planta frigorífica [3].
En la industria cárnica, las principales aplicaciones de la
refrigeración mecánica son [1]:
Enfriamiento del animal muerto directamente después de
la matanza y el aderezo.
Enfriamiento de habitaciones de manejo de carnes tales
como carnicerías.
Agua fría o salmuera para el enfriamiento de carnes de
aves de corral.
Enfriamiento frío de carnes comestibles, asaduras y
residuos de matadero.
Enfriamiento de salmuera y tinas de adobamiento.
Congelación de la carne.
En la industria moderna, el ahorro de energía es una de las
claves para disminuir los costos. En aquellas cuya función sea
la producción y conservación de alimentos, la refrigeración es
esencial en la producción, distribución y mantenimiento de
alimentos. Muchos de estos pueden almacenarse de forma
natural u otros requieren de una preparación, como los
productos lácteos, enlatados, cárnicos, bebidas entre otros,
donde la refrigeración es el factor principal de esta
preparación. En estas industrias, los consumos energéticos de
esta área resultan ser los que más inciden en los costos de
producción, específicamente en la partida de demanda
eléctrica [6].
Así, ante la necesidad de un consumo racional de la energía,
existe un creciente interés en mejorar la eficiencia energética
en los sistemas de compresión de vapor, bien a través de la
optimización en el diseño de componentes, o bien mediante
una mejora en la operación del sistema. En cualquier caso, es
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conveniente disponer las instalaciones funcionando libres de
anomalías y degradaciones con una operación energéticamente
eficiente, y mantenimiento la calidad de las condiciones de
producción [4].
Por encontrarse Cuba en una zona tropical es que un
análisis correcto del sistema de refrigeración juega un papel
muy importante para disminuir el consumo de energía en las
distintas fábricas que necesitan de este servicio.
Son varios los autores que han estudiado sistemas de
refrigeración industrial, específicamente en cuanto a la
presentación de un caso de ahorro energético en un almacén
de producto congelado (helado) para establecer las variables
con mayor impacto e importancia en la planta frigorífica [7],
utilizando para ello la metodología propuesta por [8]; la
presentación de los modelos matemáticos más empleados en el
desarrollo de software predictivo usado para la evaluación de
estrategias energéticas, el desempeño de la planta en
condiciones normales y máximas, y el diseño de instalaciones
frigoríficas, donde los modelos están formados por ecuaciones
diferenciales ordinarias que parten de la 1ra Ley de la
Termodinámica [9]; la presentación de una metodología para
la evaluación de diferentes sistemas de refrigeración
industrial, la cual fue aplicada en una empresa cárnica de Cuba
con resultados satisfactorios [10]; la propuesta y validación
experimental de un modelo físico que permite obtener una
completa caracterización del comportamiento de un sistema de
refrigeración por compresión de vapores usando refrigerante
R134a como fluido de trabajo [4]; el estudio de la
transferencia de calor para la determinación de los índices de
carga térmica en una cámara de congelación [11]; y la
presentación de una metodología para desarrollar un modelo
semiempírico de un sistema de refrigeración clásico
compuesto de un compresor, un condensador, una válvula de
expansión y un evaporador, el cual es ensayado en un rango
muy amplio de condiciones de operación [12]. También se ha
efectuado el diseño y evaluación de cámaras de refrigeración
en [2] [3] [5] [13] [14] [15] [16] [17] [18].
El Centro Industrial “2 de Diciembre” de Camagüey, Cuba
pertenece al Ministerio de las Fuerzas Armadas
Revolucionarias de Cuba, y cuenta con cinco áreas de
producción, matadero, deshuese, empacadora, dulcería y
encurtidos; en la cual se elaboran varios productos destinados
a la venta mayormente para el Ejercito Oriental y en el menor
grado para la venta a Cub-AGRO.
Según criterios de especialistas, los consumos energéticos
de esta área resultan ser los que más inciden en los costos de
producción, específicamente en la partida de demanda
eléctrica. Por otra parte, existen una serie de factores o
síntomas que evidencian una baja eficiencia energética con
altos consumos de energía en el sistema de refrigeración, lo
que evidentemente influye en el funcionamiento de la
instalación. Sin embargo, durante el periodo de explotación de
las mismas, se han evaluado algunas de estas neveras,
existiendo otras que no se han sometido a un proceso de
evaluación que permita evaluar su desempeño.
En el presente artículo se lleva a cabo la evaluación técnica
del sistema de refrigeración del túnel de congelación del
Centro Industrial “2 de Diciembre” con el fin de obtener los
modelos matemáticos que caracterizan las cargas térmicas de
esta cámara frigorífica en función de la temperatura y cantidad
de carne almacenada. Para ello se emplearon los software
NEVERA y Statgraphics® Plus v. 5.1 [19] con el objetivo de
obtener los resultados numéricos y procesar estadísticamente
los valores obtenidos, respectivamente.
II. MATERIALES Y MÉTODOS
A. Descripción del flujo tecnológico
El proceso comienza con la recepción del ganado vacuno el
cual se pesa y se envía a los corrales de sombra, donde
permanecerá hasta el siguiente día donde serán sacrificados.
Posterior a su sacrificio y faenado se deja escurrir durante
45 minutos en cuartos y posteriormente se lleva a la nevera de
post mortem, donde permanecerá hasta el siguiente día. Al
siguiente día es trasladado al deshuese para su despiece y
deshuese y a continuación será llevado a los contenedores para
su congelación y expendio con una temperatura Interior de la
carne de -2 ºC a la salida y una durabilidad de 6 meses.
B. Caracterización general del área
La instalación cuenta con un total de 9 neveras, de las
cuales 5 son de mantenimiento y 4 son de congelación de los
productos cárnicos. Las mismas se caracterizan por ser
cámaras independientes, siendo su capacidad de enfriamiento
de 0 a 5 ºC para las de mantenimiento y -20 ºC para las de
congelación. Son cámaras de paredes metálicas y poseen como
material aislante Poliuretano con un espesor en dependencia
de la superficie específica. Dentro de estas, se destacan la
nevera de post-morten para acondicionar la carne para su
posterior deshuese, un túnel de congelación (Fig. 1) para
congelar las carnes y dos contenedores para conservación de
productos hasta su posterior extracción, las cuales son las
principales consumidoras.
Fig. 1. El túnel de congelación
Por otra parte, aunque se ha realizado otras evaluaciones del
sistema de enfriamiento, estás neveras no han sido estudiadas.
Además, el túnel de congelación es la cámara frigorífica más
novedosa instalada en la empresa, por lo que necesita ser
modelada en cuanto a los modelos matemáticos que
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caracterizan las cargas térmicas en esta cámara.
El refrigerante utilizado en todas las cámaras es R-134a,
con excepción del túnel de congelación que opera con
refrigerante R-404A, siendo el sistema de refrigeración en
todos los casos por compresión de vapores.
C. Parámetros técnicos del túnel de congelación
La Tabla 1 expone los principales parámetros técnicos del
túnel de congelación.
TABLA I.
PRINCIPALES PARÁMETROS TÉCNICOS DEL TÚNEL DE ENFRIAMIENTO
Parámetro
Valor
Marca del compresor
S6G-25.2Y
Voltaje del compresor
230/60
Potencia del compresor
29,16-18,80
Refrigerante
R-404A
Capacidad
2000-2500
Largo
5,0
Ancho
4,0
Altura
3,0
D. Metodología utilizada para la estimación del balance
frigorífico
Consideraciones que se tienen en cuenta:
El tiempo de trabajo se considera tomando en cuenta el
horario de acomodo de cargas (horario pico).
La temperatura del medio ambiente y superficie de las
paredes exteriores de la cámara, se toman como el valor
promedio de todos los días analizados.
El tiempo de apertura es un tiempo estimado para tener
en cuenta el tiempo promedio que demoran las puertas
abiertas. Se contabiliza mediante la observación aleatoria
de aperturas por el personal del área, a partir de lo cual se
estima un promedio de los tiempos observados cada vez
que se abre la misma según la operación realizada.
La temperatura de la cámara es uniforme en toda su
magnitud.
Los estudios se realizan considerando que la nevera se
utiliza solamente para conservar carne de res. En caso de
utilizarse para otros alimentos, se deben tener en cuenta
los cambios en las propiedades físicas de los mismos.
Los modelos se proponen para el túnel de congelación.
E. Procedimiento de cálculo
Se parte de la metodología propuesta por [20]. Se incluyen
términos como el tiempo de jornada de trabajo dado a que los
métodos utilizados para la evaluación de sistemas están en
función de la comparación entre la oferta y demanda
frigorífica del sistema en estudio. Se incluyen otros términos
para poder determinar las cargas térmicas con la mayor
exactitud posible que serán aclarados a medida que sean
utilizados en la metodología.
Se utiliza el software NEVERA, desarrollado por el Grupo
de Energía de la Universidad de Cienfuegos, para evaluar las
cargas por puertas abiertas y aperturas en las cámaras.
F. Carga por enfriamiento
Enfriamiento de los productos: Este incluye el
enfriamiento del producto que se introduce diariamente en la
cámara. Debido a que en las cámaras de conservación no
existe congelación, la expresión de la carga por este concepto
viene dada por:
Q
n
m
P.ent
C
P. prod
(T
P.ent
T
cám
)
P.ent
t
i1
R.
prod
(1)
Dónde: Q
P.ent
- Carga térmica por enfriamiento del producto
(kcal/h); m
P.ent
- Masa del producto entrante a la cámara (kg);
C
P.prod
- Calor específico de la carne (kcal/kgºC); T
P.ent
-
Temperatura del producto entrante a la cámara (ºC); T
cam
-
Temperatura interior de la cámara (ºC); t
R.prod
- Tiempo de
régimen para el producto (h).
Enfriamiento de embalajes: En un gran número de
procesos de enfriamiento en cámaras, la entrada del producto
se ve acompañada de su correspondiente embalaje. Si bien
este hecho no es universal, en cámaras de conservación de
carnes en canales o cuartos, en los que el embalaje es
inexistente o muy limitado (envolturas de plástico), en
contraposición para otros productos como las frutas, la masa
de embalaje no es en lo absoluto despreciable frente a la del
producto. En consecuencia, para aquellas aplicaciones en la
que deba considerarse la presencia de envolturas de protección
o simplemente de presentación del producto, se hace necesario
contabilizar su correspondiente carga de enfriamiento según:
Q
n
m
E.ent
C
PE
(T
E.ent
T
cám
)
E
t
i
1
RE
(2)
Dónde:
Q
E
- Carga térmica por enfriamiento de embalajes (kcal/h);
m
E.ent
- Masa del embalaje entrante a la cámara (kg); C
PE
-
Calor específico del embalaje (kcal/kgºC); T
E.ent
- Temperatura
de entrada del embalaje (ºC); t
RE
- Tiempo de régimen para el
embalaje (h).
Enfriamiento de plataforma: Se considera como carga
adicional al enfriamiento de entrada diaria, la posible
utilización de sistemas de plataformas o tarimas donde se
soporta la materia prima cárnica, impidiendo su contacto
directo con el piso. Como en el caso del embalaje, la
utilización de tarimas implica su necesario enfriamiento desde
la temperatura de entrada hasta la final de la cámara. La forma
más habitual de contabilizar el enfriamiento del
empaquetamiento (embalajes más tarima), pasa por la
suposición de una temperatura inicial, y la consideración de
una masa como porcentaje de las del producto, con la que la
carga de enfriamiento total se calcula adicionando este
término a través de:
Q
m
PA.ent
C
P.PA
(T
PA.ent
T
cám
)
n
PA
t
i 1
R PA
(3)
Dónde:
Q
PA
- Carga térmica por enfriamiento de plataforma
(kcal/h); m
PA.ent
- Masa de plataforma entrante a la cámara
(kg); C
P.PA
- Calor específico de la plataforma (kcal/kgºC);
T
PA.ent
- Temperatura de entrada de la plataforma (ºC); t
RPA
-
Tiempo de régimen de la plataforma (h).
Scientia et Technica Año XXVII, Vol. 27, No. 04, diciembre de 2022. Universidad Tecnológica de Pereira
257
Luego, la potencia por enfriamiento total se determina por:
Pot
enf
Q
P.ent
Q
E
Q
PA
(4)
Dónde:
Pot
enf
- Potencia por enfriamiento de productos embalajes y
plataforma (kcal/h).
G. Carga por respiración de los productos
En este trabajo no se tiene en cuenta esta carga ya que solo
se considera cuando se almacenan frutas y verduras, que son
las que intercambian dióxido de carbono con el medio.
H. Carga por transmisión de calor a través de las paredes
Se incluyen las pérdidas frigoríficas asociadas a las
ganancias de calor que se producen por transmisión a través de
las paredes de la cámara. Para esto, es necesario conocer la
diferencia de temperaturas, la superficie y espesor de aislante
en cada pared y la velocidad promedio del viento en el interior
de la cámara. El cálculo debe realizarse para cada pared, dado
a que la superficie, el espesor o la diferencia de temperaturas
pueden ser diferentes. La pérdida total por transmisión será la
suma de las ganancias de calor a través de cada pared.
Para la convección forzada en el interior de las cámaras no
se puede definir la dirección del movimiento del fluido, por lo
que se determina la longitud característica como si fuese una
pared horizontal considerando que la transferencia de calor
ocurre de la misma forma, por tanto:
x
A
Pi
P
Pi
(5)
Dónde: x - Longitud característica (m); A
Pi
- Área de la
pared i (paredes, piso o techo); P
Pi
- Perímetro de la pared i
(paredes, piso o techo) (m).
Para las paredes, se determina según:
Paredes
laterales
x
L
cám
h
cám
2 L
cám
2 h
cám
(6)
Paredes
frontales y
traseras
x
a
cám
h
cám
2 a
cám
2 h
cám
(7)
Piso y techo
x
L
cám
a
cám
2 L
cám
2 a
cám
(8)
Dónde: L
cám
- Longitud de la cámara (m); h
cám
- Altura de la
cámara (m); a
cám
- Ancho de la cámara (m).
I. Mayoración de las cargas
En estos sistemas deben considerarse cargas y pérdidas que,
en la práctica, resultan difíciles de contabilizar. Dentro de
estos se destacan las asociadas a la transferencia de calor por
convección – radiación, migración de vapores de agua desde
el ambiente externo al interno, calor aportado en los procesos
de eliminación de escarchas periódicos en cámaras con
temperaturas inferiores a cero, entre otros. Es práctica normal
nombrar todos los términos no calculados dentro del
coeficiente de seguridad denominado Mayoración de las
Cargas, el cual suele establecerse en el orden del 10 % de la
suma de todas las cargas.
J. Estimación del comportamiento de los parámetros de
operación del túnel
Se requiere conocer los parámetros de operación del túnel
que rigen la transferencia de calor en estos sistemas. Dentro de
ellos se parte de carne de res como producto a congelar. Se
toma un valor de capacidad calorífica de 0,75 kcal/kgºC y una
capacidad calorífica después de congelar de 0,4 kcal/kgºC
[20]. Se toma un valor de la temperatura de congelación de -
1,8 ºC ya que es la temperatura a la que empieza a congelar la
carne [20] y un calor latente de 54,5 kcal/kg. Para lograr los
parámetros de calidad que implica la duración de la carne en
congelación por espacio de 6 meses, se toma un valor de -
18 ºC de almacenamiento en el túnel. Estos parámetros de
operación y diseño, están establecidos en la normas para la
conservación de la calidad [21] [22] y son valores
predeterminados en el software.
K. Diseño experimental para la simulación
Se trabaja en el túnel de congelación y se parte de conocer
los parámetros de operación que rigen la transferencia de calor
en estos sistemas. Se parte de carne de res como producto a
congelar. Se toma un valor de capacidad calorífica de
0,75 kcal/kgºC, una capacidad calorífica después de congelar
de 0,4 kcal/kgºC [20]. Se toma una temperatura de
congelación de -1,8 ºC ya que es la temperatura a la que
empieza a congelar la carne [20] y un calor latente de
54,5 kcal/kg [20]. Para lograr los parámetros de calidad que
implica la duración de la carne en congelación por espacio de
seis meses, se toma un valor de -18 ºC de almacenamiento en
el túnel. Estos parámetros de operación y diseño, están
establecidos en la normas para la conservación de la calidad
[21] [22] y son valores predeterminados en el software.
Se diseña un experimento simulado en el software
NEVERA, soportado en una hoja de cálculo en Microsoft
Excel. Primero, se obtienen, los modelos que caracterizan la
carga antes de congelar, la carga durante la congelación, carga
después de congelar y carga total del producto. Para esto, se
utilizaron diferentes entradas del producto a las neveras: 500,
1 000, 15 00, 2 000, 2 500 y 3 000 kg/d.
Se determina los modelos que caracterizan el efecto de la
variación de la temperatura de entrada de la carne al túnel (10,
15, 20 y 25 ºC) sobre el calor demandado de los productos
para diferentes cargas: 500, 1000, 15000, 2000, 2500 y 3000
kg/d.
Se realiza un diseño experimental 2k y se simula en las
condiciones límites de operación del túnel, el efecto de:
temperatura de entrada de la carne (10 - 20 ºC) y la cantidad
de carne (500 - 3000 kg) en el comportamiento de la carga
antes de congelar, la carga durante la congelación, carga
después de congelar y carga total del producto. Se parte solo
del enfriamiento de los productos porque es la carga más
influyente a extraer. En el caso de los estantes, estos se
mantienen siempre dentro del túnel y no se tiene en cuenta el
Scientia et Technica Año XXVII, Vol. 27, No. 04, diciembre de 2022. Universidad Tecnológica de Pereira
258
embalaje ya que sus niveles de influencia están en el orden de
las 60-70 kcal [20]. Para el caso de las cargas por cerramiento
y otros, estás no varían debido a que las que se determina por
paredes, techos y pisos no varían. Los resultados de este
análisis se procesan en el Statgraphics
®
Plus [19] donde se
aplica un análisis de regresión para la obtención de los
modelos.
Se determinan los modelos que caracterizan el efecto de la
variación de la temperatura de entrada de la carne congelada a
las neveras (-5, -10, -15, -20 ºC), sobre el calor demandado de
los productos para diferentes cargas (500, 1 000, 1 500, 2 000,
2 500 y 3 000 kg/d). Se determinan los modelos que definen
este comportamiento a partir de un diseño experimental 2k,
simulado en el software NEVERA y se simula para evaluar, en
las condiciones límites de operación de la nevera de
almacenamiento de la carne, el efecto de la temperatura de
entrada de la carne congelada (-5 hasta -20 ºC) y masa de
carne (500 - 3000 kg).
III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
A continuación, se presentan los resultados de la
modelación y simulación del proceso de enfriamiento en el
túnel de congelación.
A. Potencia demandada en función de la cantidad de carne
La Fig. 2 muestra el comportamiento de la potencia
demandada en función de la cantidad de carne, así como los
modelos que caracterizan esta relación. Se observa que existe
una relación directa entre la cantidad de carne a enfriar y la
potencia demandada. Por otra parte, las mayores cargas son las
asociadas a la congelación de los productos. Dentro de los
aspectos que influyen en esta partida están el tiempo de
congelación y la temperatura de entrada de la carne. Por tanto,
cualquier acción que se pueda realizar para disminuir la
temperatura de entrada de estos, así como el tiempo de
congelación, reduciría considerablemente el calor total del
producto y, con ello, la potencia demandada.
B. Calor demandado por los productos en función de la
temperatura de entrada de la carne
En la Fig. 3 se observa que, a medida que aumenta la
temperatura de entrada de la carne, la potencia demandada
aumenta, siendo mayor para la mayor cantidad de carne.
Fig. 3. Relación entre la cantidad de calor demandado por los productos y la
temperatura.
A continuación se muestran los modelos que relacionan los
consumos energía en función de la temperatura de entrada y
cantidad de carne.
Modelo 1:
CAC 22968,8 1312,5T
P
ent
14,475 m
P
ent
(9)
Modelo 2:
CDC 0,0 0,0 T
P
ent
54,5 m
P
ent
(10)
Modelo 3:
CDeC 0,0 0,0 T
P
ent
6,48 m
P
ent
(11)
Modelo 4:
CTP 229681312,5T
P
ent
75,455 m
P
ent
(12)
Modelo 5:
CTP
cong
6650,0 700,0T
P
ent
3,4 m
P
ent
(13)
Dónde:
CAC - Carga antes de congelar (kcal); CDC - Carga durante
la congelación (kcal); CDeC - Carga después de congelar
(kcal); CTP - Carga total del producto (kcal); CTP
cong
– Carga
de congelación (kcal); T
Pent
– Temperatura de entrada del
producto (ºC); m
Pent
– Masa de entrada del producto (kg).
En los modelos 2 y 3, que representan la carga durante y
después de la congelación, se aprecia que la temperatura no
influye en esta. Esto se debe a que la carne ya ha alcanzado la
temperatura requerida para su congelación. En el caso del
modelo 1 (carga antes de la congelación), la temperatura tiene
una marcada influencia ya que no se ha alcanzado la
temperatura de congelación de la carne de -1,8 ºC. Se observa
que, a medida que la temperatura de entrada aumenta, aumenta
considerablemente, el calor antes de la congelación. Por su
parte, en el modelo 3, la influencia de la temperatura de
entrada es cero. Esto es debido a que el software solo tiene en
consideración que esta carga se debe al proceso de extracción
de calor desde los -1,8 ºC, que es la temperatura de
congelación. Entonces, para el caso donde se requiera
continuar congelando una carne con una temperatura de
entrada inferior a la de congelación, se trabajará con el modelo
5. Para esto, se simula desde una temperatura de entrada de -
2 ºC hasta los -17 ºC que es la que garantiza la durabilidad de
seis meses de la carne.
De forma general, estos modelos resultan una herramienta
Fig. 2. Potencia demandada en función de la cantidad de carne.
Scientia et Technica Año XXVII, Vol. 27, No. 04, diciembre de 2022. Universidad Tecnológica de Pereira
259
importante para estimar los consumos de energía del túnel de
enfriamiento para diferentes condiciones de operación y para
realizar los balances energéticos en la industria. De igual
forma, son factibles de utilizar en la planificación de la
demanda energética en un tiempo determinado según una
capacidad de producción planificada. En ocasiones, en la
empresa se ha conectado el grupo electrógeno sin conocer
previamente si soporta la carga de refrigeración. Esto conlleva
a un uso irracional de portadores energéticos con su
consecuente efecto económico, el cual recomendamos
determinar en estudios posteriores.
A continuación se exponen los resultados estadísticos
obtenidos en el software Statgraphics
®
Plus [19] para cada uno
de los modelos anteriormente mostrados.
TABLA II
RESULTADOS ESTADÍSTICOS OBTENIDOS EN EL SOFTWARE STATGRAPHICS
PARA CADA UNO DE LOS MODELOS OBTENIDOS.
Parámetro
Modelo
1
Modelo
2
Modelo
3
Modelo
4
Modelo
5
R-cuadrada (%)
89,5638
100,0
100,0
99,4533
99,7854
R-cuadrado
(ajustado para
g.l.) (%)
68,6914
0,0000
0,0000
98,3598
98,4120
Error estándar
del est.
14062,5
0,0000
0,0000
14062,5
10256,4
Error absoluto
medio
7031,25
0,00
0,00
7031,25
3258,90
C. Calor demandado por los productos en función de la
temperatura de entrada de la carne congelada
La Fig. 4 muestra el comportamiento de la relación del calor
demandado por los productos en función de la temperatura de
entrada de la carne congelada al túnel de congelación. En la
misma se aprecia que, a medida que aumenta la temperatura
de entrada de la carne congelada, el calor demandado
disminuye. Esto se debe a que está cada vez más cerca de la
temperatura final de congelación para la carne de res que es de
-18 ºC. Por otra parte, se aprecia que, a medida que aumenta la
cantidad de carne congelada que entra al túnel de congelación,
aumenta este consumo. En este caso, la carga antes y durante
la congelación no se tiene en cuenta ya que este proceso
ocurre a temperaturas por debajo de la temperatura de
congelación de la carne.
Fig. 4. Calor demandado en función de la temperatura de entrada de la carne
congelada.
El modelo que caracteriza este proceso es:
Modelo 6:
CD 7604,17 603,333T
P
ent
4,305 m
P
ent
(14)
Dónde:
CD - Calor demandado (kcal).
Los parámetros estadísticos que se ajustan a este modelo
son los siguientes [19]:
R-cuadrada = 81,5070 %
R-cuadrado (ajustado para g.l.) = 44,5209 %
Error estándar del est. = 5950,0
Error absoluto medio = 2975,0
De forma general, estos modelos reportados son de gran
importancia para la entidad ya que, a partir de ellos se hace
posible predecir los consumos energéticos por concepto de
enfriamiento y congelación de la carne. Por otra parte, permite
pronosticar la influencia de los factores cantidad de carne y
temperaturas de entrada en las necesidades energéticas de la
empresa. De esta forma, se puede establecer la demanda
energética para un periodo de tiempo determinado en función
de las posibles entradas de carne a las neveras.
IV. CONCLUSIONES
Existe una relación directa entre la cantidad de carne a
enfriar y la potencia demandada, mientras que las mayores
cargas obtenidas son las asociadas a la congelación de los
productos.
A medida que aumenta la temperatura de entrada de la
carne, la potencia demandada aumenta, siendo mayor para la
mayor cantidad de carne de entrada.
A medida que aumenta la temperatura de entrada de la
carne congelada, el calor demandado disminuye.
A medida que aumenta la cantidad de carne congelada de
entrada al túnel de congelación, aumenta el calor demandado
por los productos.
Se obtienen modelos matemáticos mediante los cuales se
estiman los consumos energéticos por concepto de
enfriamiento y congelación de la carne en el túnel de
congelación, además de predecir la influencia de los factores
cantidad de carne y temperaturas de entrada sobre las
necesidades energéticas de la empresa. Los modelos obtenidos
en este estudio permiten establecer la demanda energética para
un período de tiempo determinado en función de las posibles
entradas de carne a la cámara frigorífica.
REFERENCIAS
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[3]
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frigorífica,” Tesis de Diploma, Facultad de Ingeniería, Universidad
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Tesis
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Departamento
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calor para determinar índices de carga térmica en una cámara de
congelación de la Unidad Académica de Ciencias de la Ingeniería
de la Universidad Estatal de Milagro,” Tesis de Diploma, Facultad
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Milagro, Ecuador, 2015.
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operación,” Ingeniare. Revista chilena de ingeniería, vol. 24, no.
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[13]
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zanahoria (Daucus carota L.), betarraga (Beta vulgaris L.) y repollo
(Brassica oleracea L. var. capitata) adaptada a las condiciones de
Coyhaique, en la XI Región,” Tesis de Diploma, Facultad de
Ciencias Agrarias, Universidad Austral de Chile, Valdivia, Chile,
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[14]
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una temperatura de -20 ºC en la Empresa Arcopa S.A – Paita,”
Tesis de Diploma, Facultad de Ingeniería Industrial, Universidad
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[17]
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situada en la población de Hellín (Albacete),” Tesis de Diploma,
Universitat Politécnica de Valencia, Valencia, España, 2018.
[18]
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Technologies, Inc., Version 5.1, 2005.
[20]
J. M. Pinazo, Cálculos en instalaciones frigoríficas. Valencia,
España: Universidad Politécnica de Valencia, 1995, pp. 10-58.
[21]
Carne y productos cárnicos - Carne deshuesada de ganado bovino
- Especificaciones de calidad. NC 678, 2009.
[22]
Carne y productos cárnicos - Canales, bandas, piezas y carne de
cerdo - Requisitos. NC 823, 2011.
Isnel Benitez Cortés nació en
Camagüey, Cuba, en el año 1970.
Recibió su título de Ingeniero Químico
de la Universidad de Camagüey en
1993, y su grado de Doctor en Ciencias
Técnicas de la Universidad de
Camagüey en el año 2008.
Actualmente se desempeña como
Profesor Titular y Decano de la Facultad de Ciencias
Aplicadas de la Universidad de Camagüey, Camagüey, Cuba.
Sus áreas de investigación incluyen la evaluación y diseño de
plantas y procesos de la industria petroquímica, la modelación
y simulación de procesos químicos, evaluación de sistemas y
operaciones de combustión, así como también el análisis,
diseño y evaluación de sistemas termoenergéticos,
generadores de vapor, y procesos y equipos de intercambio de
calor y masa.
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2427-640X.
Ornelio Lázaro Reina Estrada nació en
Camagüey, Cuba en el año 1986. Recibió
el título de Ingeniero Químico en la
Universidad de Camagüey en 2012. Se
desempeña profesionalmente como
Especialista de la Unidad Empresarial de
Base COMAT, de la Empresa Militar
Ignacio Agramonte y Loynaz, Camagüey, Cuba. Su área de
investigación abarca la evaluación energética de sistemas de
refrigeración industrial, y la tecnología de muebles. Es Máster
en Análisis de Procesos de la Industria Química por la
Universidad de Camagüey desde el año 2016. Actualmente se
encuentra cursando una Maestría de Dirección.
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0561-7774.
Daynet Hernández Rojas nació en
Camagüey, Cuba en el año 1989.
Recibió el título de Ingeniero Químico
en la Universidad de Camagüey en
2015. Se desempeña profesionalmente
como Especialista de la Unidad
Empresarial de Base COMAT, de la
Empresa Militar Ignacio Agramonte y Loynaz, Camagüey,
Cuba. Su área de investigación abarca el diseño y análisis
termodinámico de sistemas de refrigeración industrial y la
tecnología de muebles. Actualmente se encuentra cursando
una Maestría de Dirección.
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1659-693X.
Raúl González de la Cruz nació en
Camagüey, Cuba en 1944. Recibió el
título de Ingeniero Químico en la
Universidad de Camagüey, Cuba en el
año 1978. Se desempeña
profesionalmente como Profesor Auxiliar
Consultante en la Universidad de
Camagüey,
Cuba. Su
área
de
investigación comprende la evaluación termo-energética y
termodinámica de sistemas, operaciones y procesos de la
industria química, cálculos medioambientales y diseño de
Scientia et Technica Año XXVII, Vol. 27, No. 04, diciembre de 2022. Universidad Tecnológica de Pereira
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equipos de transferencia de calor y masa. Es Máster en
Análisis de Procesos de la Industria Química desde el año
2008.
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2621-239X.
Osmani Alberto Velazco Rosell nació en
Camagüey, Cuba en 1967. Recibió su
título de Ingeniero Químico por la
Universidad de Camagüey en el 2001.
Actualmente se desempeña como
Especialista en el Laboratorio de Físico-
Químico del Centro de Ingeniería
Ambiental
de
Camagüey.
Su
área
de
investigación consiste en la gestión medioambiental de
procesos y operaciones de la industria química, determinación
de parámetros físico-químicos de aguas y aguas residuales, y
la evaluación medioambiental de plantas químicas. Es Máster
de Química Analítica por la Universidad Central de las Villas
desde 2017.
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5364-7420.
Amaury Pérez Sánchez nació en
Camagüey, Cuba en 1984. Recibió su
título de Ingeniero Químico por parte de
la Universidad de Camagüey en 2009.
Actualmente se desempeña como profesor
instructor de la Facultad de Ciencias
Aplicadas, Universidad de Camagüey.
Sus áreas de investigación incluyen la modelación y
simulación de procesos químicos y biotecnológicos, diseño de
equipos de transferencia de calor y masa, y el diseño de
plantas y operaciones de la industria biotecnológica.
Su producción abarca la publicación de 40 artículos en revistas
científicas, y la elaboración de un libro de simulación de
procesos. Actualmente se encuentra cursando una Maestría en
Biotecnología.
ORCID: http://orcid.org/0000-0002-0819-6760.