Guía del ingeniero sobre túneles de refrigeración: Una inmersión profunda en los principios técnicos
Introducción: Más allá de la refrigeración industrial
Un túnel de enfriamiento es una pieza clave de los procesos de fabricación. Está diseñado para reducir la temperatura del producto con precisión y control. Pero hace mucho más que enfriar cosas. Es un sistema complejo que se basa en principios de ingeniería probados.
El buen funcionamiento de cualquier túnel de refrigeración depende de la conjunción de tres áreas principales. Se trata de la termodinámica, la dinámica de fluidos y el diseño mecánico. Para alcanzar una temperatura central específica en un tiempo determinado, es necesario conocer a fondo estos campos.
Este ofrece a los ingenieros de procesos una completa desglose. Empezaremos con la ciencia básica de la transferencia de calor. A continuación, desmontaremos las piezas mecánicas de un túnel moderno. También estudiaremos las distintas tecnologías de refrigeración entre las que puedes elegir.
Por último, trataremos los factores clave del diseño, los cálculos de rendimiento y los sistemas de control que hacen que una instalación de túnel de enfriamiento sea un éxito. Es necesario comprender conceptos como la carga térmica y el tiempo de residencia. Se trata de esencial para especificar y hacer funcionar este equipo Bien.
El núcleo del enfriamiento: Un desglose termodinámico
La función principal de un túnel de enfriamiento es desplazar el calor. Es importante entender que la refrigeración no añade “frío” a algo. Por el contrario, elimina la energía térmica de un producto de forma sistemática y eficiente.
Esta eliminación de energía se produce por tres vías diferentes: conducción, convección y radiación. Por lo general, uno de estos métodos realiza la mayor parte del trabajo. Pero los tres están presentes y contribuyen al proceso general de refrigeración.
Conducción: Transferencia por contacto directo
La conducción desplaza el calor a través del contacto físico directo. En un túnel de enfriamiento, esto ocurre principalmente donde el la parte inferior del producto toca la cinta transportadora.
La velocidad a la que se desplaza el calor por conducción depende de varios factores. La conductividad térmica del material de la banda es importante. También lo es la propia conductividad del producto y la superficie de contacto con la banda. Aunque éste es un factor, suele ser menos importante que la convección, a menos que se utilice una banda especial de refrigeración por conducción.
Convección: El caballo de batalla de la refrigeración
La convección forzada realiza la mayor parte del trabajo de transferencia de calor en los túneles de refrigeración. Utiliza un fluido frío en movimiento, normalmente aire, que fluye por la superficie del producto.
Los ventiladores o sopladores crean este flujo de aire. El aire en movimiento extrae el calor de la superficie del producto y lo transporta a la bobina del evaporador de la unidad de refrigeración. La rapidez del enfriamiento depende de la diferencia de temperatura entre el aire y el producto y de la velocidad a la que se mueva el aire.
He aquí una regla útil: duplicar la velocidad del aire sobre un producto puede potenciar la transferencia de calor por convección coeficiente de forma significativa. A menudo, este aumento oscila entre 60 y 80%. Esto demuestra lo poderoso que es un buen diseño del flujo de aire para el rendimiento del túnel.
Radiación: Intercambio de energía invisible
La transferencia de calor por radiación intercambia energía a través de ondas electromagnéticas. El producto más caliente emite radiación térmica. Las superficies interiores más frías del recinto del túnel absorben esta radiación.
Este método adquiere mayor importancia a medida que aumenta la diferencia de temperatura entre el producto y las paredes del túnel. En los túneles criogénicos, donde las temperaturas de las paredes son extremadamente bajas, la radiación desempeña un papel importante en la eliminación total del calor.
Tabla 1: Análisis comparativo de los modos de transferencia de calor en un túnel de enfriamiento
Característica | Conducción | Convección | Radiación |
Mecanismo principal | Transferencia molecular directa (producto a cinta) | Calor arrastrado por el flujo de fluido (aire sobre producto) | Emisión de ondas electromagnéticas (producto-paredes) |
Factores de control | Conductividad térmica del material, superficie de contacto | Velocidad del aire, temperatura del aire, propiedades de los fluidos | Emisividad de la superficie, diferencia de temperatura (a la 4ª potencia) |
Contribución típica | Bajo a moderado (muy dependiente de la base de productos) | Alta (A menudo 70-90% de refrigeración total) | Moderado (aumenta con diferencias de temperatura mayores) |
Optimización Método | Selección del material de la banda, garantizando un buen contacto con el producto | Aumento de la velocidad del ventilador, disminución de la temperatura del aire | Pintar las paredes interiores de negro mate de alta emisividad |
Anatomía de un túnel moderno: Componentes clave
Un túnel de refrigeración reúne piezas mecánicas y eléctricas en un solo sistema. Para que la especificación, el funcionamiento y el mantenimiento sean correctos, es necesario saber qué hace cada pieza.
La caja aislante
La función principal de la envolvente es crear un entorno térmicamente separado. Impide que el calor ambiental y la humedad entren en la zona de proceso. Esto aumentaría la carga de refrigeración y reduciría la eficiencia.
Estos recintos suelen construirse con paneles de acero inoxidable rellenos de espuma aislante de poliuretano de alta densidad. El grosor de los paneles, el diseño de las juntas y el sellado hermético son detalles clave. Determinan la integridad térmica y el rendimiento higiénico del túnel.
El sistema transportador
El sistema de transporte desplaza el producto por el túnel a una velocidad controlada con precisión. Esto establece directamente el tiempo de permanencia.
Los tipos de banda varían mucho en función de lo que se vaya a fabricar. Las opciones incluyen correas de plástico macizo, malla metálica y plástico modular. El sistema de transmisión casi siempre utiliza un motor de frecuencia variable (VFD). Esto permite un control preciso de la velocidad.
Según nuestra experiencia, elegir un variador de frecuencia con una amplia gama de velocidades es crucial para la flexibilidad del proceso. En el caso de los productos de confitería delicados, una función de ‘arranque suave’ evita que el producto se desplace durante los ciclos de arranque y parada.
Refrigeración y CTA
La unidad de refrigeración y tratamiento del aire (UTA) es el corazón del sistema de refrigeración. Esta unidad enfría el aire y lo mueve por todo el recinto del túnel.
Funciona con un ciclo estándar de compresión de vapor. Utiliza un compresor, un condensador, una válvula de expansión y un serpentín evaporador. La batería del evaporador es la parte del interior de la UTA donde se enfría el aire que circula.
Un buen diseño de la cámara de distribución de aire y de los conductos es fundamental. El objetivo es proporcionar al producto un caudal de aire y una temperatura uniformes y constantes en toda la anchura y longitud del transportador. Esto elimina los puntos calientes o fríos.
El panel de control (HMI/PLC)
El panel de control es el cerebro del túnel. Permite a los operarios configurar, supervisar y ajustar todos los parámetros críticos del proceso.
Los sistemas modernos han pasado de simples termostatos y diales manuales a sistemas sofisticados. Estos utilizan tecnología de controlador lógico programable (PLC) con una pantalla táctil de interfaz hombre-máquina (HMI).
Este nivel de control permite realizar ajustes precisos y repetibles de la temperatura, la velocidad de la cinta y la velocidad del ventilador. Esto es esencial para una calidad constante del producto.
Análisis en profundidad de las tecnologías de refrigeración
La forma de aplicar el aire frío o una superficie fría al producto es tan importante como la propia temperatura. La elección de la tecnología tiene efectos importantes en la velocidad de enfriamiento, la calidad del producto y los costes de funcionamiento.
Convección de aire forzado
La convección estándar por aire forzado es la tecnología de refrigeración más común y versátil. Hace circular un gran volumen de aire refrigerado a una velocidad relativamente baja por todo el túnel.
Este método es fiable y rentable. Funciona bien para muchos productos, desde productos horneados y aperitivos hasta confitería y platos preparados.
Refrigeración por impacto de aire
La tecnología de impacto de aire es un gran paso adelante en la intensidad del enfriamiento. Utiliza conjuntos de boquillas para dirigir chorros de aire frío a alta velocidad directamente a las superficies superior e inferior del producto.
La idea clave es romper la “capa límite” de aire aislante del producto. Al atravesar esta capa, el impacto aumenta drásticamente el coeficiente de transferencia de calor por convección. El resultado son tiempos de enfriamiento mucho más rápidos que los de la convección estándar.
Esta tecnología es perfecta para fijar rápidamente la superficie de un producto. Por ejemplo, para formar una costra de chocolate o enfriar productos planos como galletas, bases de pizza o hamburguesas.
Refrigeración por conducción indirecta
La refrigeración por conducción indirecta no utiliza aire como medio principal. En su lugar, el producto se desplaza directamente sobre una cinta sólida de acero inoxidable o plástico que se enfría desde abajo mediante un fluido circulante, como glicol o agua fría.
Este método proporciona un enfriamiento intenso y eficaz hasta el fondo del producto. Es una opción excelente para líquidos, lechadas o productos semisólidos como salsas, purés y rellenos de repostería que pueden extenderse en una capa fina.
Refrigeración criogénica (LN2 / CO2)
La refrigeración criogénica utiliza la enorme capacidad de refrigeración que se libera durante el cambio de fase del nitrógeno líquido (LN2) o del dióxido de carbono (CO2). El nitrógeno líquido hierve a -196 °C (-320 °F) y el CO2 se sublima a -78,5 °C (-109,3 °F).
Cuando se pulverizan en el túnel, estos criógenos absorben instantáneamente cantidades masivas de calor del producto. Esto crea un enfriamiento o congelación ultrarrápidos. Esto es fundamental para preservar la estructura celular y la calidad de los productos de alto valor.
Entre sus aplicaciones se incluyen la congelación rápida individual (IQF) de marisco y aves de corral, el mantenimiento de la humedad en productos cárnicos cocidos y la refrigeración de platos precocinados de primera calidad.
Cuadro 2: Comparación técnica de las tecnologías de túneles de refrigeración
Tecnología | Tasa de enfriamiento | Coste de capital (CAPEX) | Coste de explotación (OPEX) | Ventajas clave | Aplicación ideal |
Aire forzado | Moderado | Bajo | Bajo | Sencillez, polivalencia | Uso general, panadería, pastelería |
Choque | Alta | Medio | Medio | Refrigeración uniforme a alta velocidad | Productos planos, costras superficiales, productos precocinados |
Indirecto | Moderado a alto | Alta | Bajo | Excelente para líquidos/lechadas | Salsas, purés, rellenos de repostería |
Criogénico | Muy alta | Media a alta | Alta | Velocidad extrema, calidad preservada | Marisco IQF, proteínas de alto valor, medicina |
Parámetros críticos de diseño y cálculos
Especificar o diseñar un túnel de enfriamiento requiere un enfoque de ingeniería estructurado. Pasar de los requisitos del producto a las especificaciones del equipo implica varios cálculos críticos y consideraciones de diseño. Esto sirve como lista de comprobación de ingeniería para cualquier nuevo proyecto de refrigeración.
Cálculo de la carga térmica total
La carga térmica total es la cantidad total de energía térmica que el sistema de refrigeración debe eliminar por unidad de tiempo. Es el cálculo más importante para dimensionar un túnel de refrigeración. Esta carga suma varias partes distintas.
- Carga del producto: Es la carga principal y representa el calor liberado por el propio producto al enfriarse. Se calcula mediante la fórmula Q = m * c * ΔT, donde ‘m’ es el caudal másico del producto (kg/h), ‘c’ es el calor específico del producto y ‘ΔT’ es el cambio de temperatura necesario.
- Carga de infiltración: Se trata del calor que entra en el túnel a través de las aberturas de entrada y salida. También incluye el calor procedente de las fugas de los paneles o las aberturas de las puertas.
- Carga del motor del transportador y del ventilador: Todas las piezas mecánicas del interior del túnel generan calor durante su funcionamiento. Esto incluye los motores de los ventiladores y el sistema de accionamiento del transportador. Debe tener en cuenta este calor.
- Carga de transmisión: Se trata del calor que pasa a través de las paredes, el techo y el suelo aislados desde el entorno exterior, más cálido, al interior frío del túnel.
La suma de estas cargas individuales determina la capacidad total de refrigeración necesaria. Suele expresarse en kilovatios (kW) o BTU por hora. Hacer bien este cálculo es fundamental para garantizar que el túnel pueda cumplir los requisitos del proceso.
Determinación del tiempo de residencia
El tiempo de residencia es la duración total que un producto pasa dentro de la atmósfera controlada del túnel de enfriamiento. Se trata de un parámetro crítico que debe ser lo suficientemente largo como para permitir que el producto se enfríe hasta alcanzar la temperatura central deseada.
Una fórmula sencilla pero crucial lo determina Tiempo de residencia = Longitud del túnel / Velocidad del transportador.
Para conseguir el perfil de refrigeración deseado, los ingenieros deben equilibrar la longitud del túnel (un factor de coste de capital) con la velocidad de la cinta transportadora (un factor de rendimiento de la producción).
Control del flujo de aire y la humedad
Una refrigeración eficaz no sólo depende de la temperatura del aire, sino también de cómo se gestiona ese aire. El objetivo es crear un flujo de aire turbulento alrededor del producto. Esto es mucho más eficaz para eliminar el calor que un flujo laminar suave.
El control de la humedad es igualmente importante, sobre todo para los productos sensibles. Si la temperatura de la superficie de un producto desciende por debajo del punto de rocío del aire del interior del túnel, se formará condensación.
Esto puede ser desastroso para productos como el chocolate, donde causa “sugar bloom”. Este defecto crea una superficie opaca y granulada. Un diseño adecuado de la UTA y la gestión de las infiltraciones de aire son fundamentales para controlar la humedad.
Controles modernos e Industria 4.0
Los sistemas de control de los túneles de refrigeración han evolucionado mucho. La industria ha pasado de los diales e interruptores manuales básicos a sistemas automatizados muy sofisticados. Estos ofrecen enormes ventajas en cuanto a coherencia, trazabilidad y eficacia.
Los sistemas modernos se basan en un PLC y una pantalla táctil HMI. Esta plataforma permite potentes funciones como la gestión de recetas. Puede almacenar y recuperar docenas de conjuntos de parámetros únicos para diferentes productos con un solo toque.
Estos sistemas también proporcionan un amplio registro de datos para garantizar la calidad y la trazabilidad. Ofrecen historiales de alarmas detallados para acelerar la resolución de problemas. También permiten que los proveedores de equipos realicen diagnósticos a distancia.
Cuadro 3: Niveles de sistemas de control de túneles de refrigeración
Nivel | Interfaz de control | Características principales | Lo mejor para |
Básico | Diales e interruptores físicos | Control manual de temperatura y velocidad. | Operaciones a pequeña escala, entrada de bajo coste. |
Intermedio | Pantalla táctil HMI con PLC | Almacenamiento de recetas, registro de alarmas, visualización de datos básicos. | Más líneas de producción estándar que necesitan coherencia. |
Avanzado | Integración SCADA, IIoT | Control centralizado, tendencias de datos históricos, alertas de mantenimiento predictivo, acceso remoto. | Fábricas automatizadas a gran escala que requieren una integración total de los datos. |
Conclusiones: Sintetizar los principios de rendimiento
La eficacia de un túnel de enfriamiento no consiste sólo en su capacidad para enfriar. Se trata de un sistema diseñado con precisión en el que el rendimiento se consigue aunando principios fundamentales.
Una refrigeración óptima es el resultado de una termodinámica aplicada, un diseño mecánico robusto y un control inteligente y sensible. Cada elemento desempeña un papel fundamental. Esto incluye desde el cálculo de la carga térmica hasta el diseño del flujo de aire.
A medida que avance el sector, varias tendencias seguirán determinando la evolución de la tecnología de túneles de enfriamiento. Entre ellas, la búsqueda de una mayor eficiencia energética, un control más estricto de los procesos y una fabricación más inteligente y basada en datos.
- Procesado e Ingeniería de los Alimentos | Ciencia y Tecnología de los Alimentos | Virginia Tech https://www.fst.vt.edu/research/food-processing-and-engineering.html
- Tecnologías avanzadas de refrigeración | US EPA https://www.epa.gov/greenchill/advanced-refrigeration-technologies
- Ingeniería Alimentaria | FABE - Universidad Estatal de Ohio https://fabe.osu.edu/future-students/majors/food-agricultural-and-biological-engineering/food-engineering
- Instituto de Ciencia e Ingeniería de los Alimentos | Biblioteca Agrícola Nacional (USDA) https://www.nal.usda.gov/research-tools/food-safety-research-projects/institute-food-science-and-engineering-1
- Ingeniería de Sistemas Alimentarios | Universidad de Arkansas https://food-science.uark.edu/research-outreach/research/food-systems-engineering.php
- EARTH Hub - Tecnología de refrigerantes | Universidad de Kansas https://erc-earth.ku.edu/
- Ingeniería de procesos alimentarios | Instituto de Tecnología de Illinois https://www.iit.edu/academics/programs/food-process-engineering-ms
- Optimización de túneles de refrigeración SMIP | CESMII https://www.cesmii.org/project/sopo-2331/
- Túneles de refrigeración Procesamiento de alimentos | Frain Group https://www.fraingroup.com/cooling-tunnels-food-processing/
- Túneles industriales de refrigeración y calefacción | Genemco https://www.genemco.com/blogs/news/title-exploring-the-mechanics-of-industrial-cooling-and-heating-tunnels
