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El factor frío: qué buscar en equipos eficientes de congelación y refrigeración

La refrigeración industrial alcanza la eficiencia sin sacrificar el rendimiento gracias a los avances en automatización, seguridad y sostenibilidad.

El factor frío: qué buscar en equipos eficientes de congelación y refrigeración
La refrigeración criogénica puede alcanzar temperaturas considerablemente más frías y enfriar productos mucho más rápido que la refrigeración mecánica.
Foto cortesía de Air Products.

La refrigeraci√≥n industrial ha sido durante mucho tiempo una forma efectiva de proteger la calidad y la seguridad de los alimentos perecederos. Los equipos de congelaci√≥n y enfriamiento han sido vitales para ayudar a los fabricantes a extender la vida √ļtil del producto al tiempo que conservan el sabor y la textura. En los √ļltimos a√Īos, los fabricantes de alimentos han podido cosechar a√ļn m√°s los beneficios de la refrigeraci√≥n industrial gracias a los avances en automatizaci√≥n, seguridad y sostenibilidad, que han ayudado a mejorar el rendimiento y la eficiencia de los equipos de congelaci√≥n y refrigeraci√≥n actuales.

"La demanda en el mercado de alimentos congelados y refrigerados ha aumentado dram√°ticamente y tambi√©n la demanda de sistemas de distribuci√≥n refrigerados", dice Andrew Pipkin, director de desarrollo de proyectos en Stellar, la empresa de dise√Īo y construcci√≥n con sede en Jacksonville, Florida. "A medida que las familias tienden a pasar m√°s tiempo (de calidad) con los miembros de la familia en lugar de preparar comidas, hemos visto una fuerte tendencia en el mercado hacia el sector de alimentos congelados y refrigerados, y al sector de alimentos preparados".

Punto de partida

A medida que los alimentos congelados y refrigerados contin√ļan aumentando en popularidad, los fabricantes buscan satisfacer esas crecientes demandas de producci√≥n con equipos de congelaci√≥n y enfriamiento que puedan maximizar la eficiencia y aumentar la capacidad y el rendimiento. Al seleccionar equipos de refrigeraci√≥n industrial, los fabricantes deben considerar principalmente los costos del ciclo de vida, que eval√ļan la confiabilidad a largo plazo, la eficiencia y el rendimiento del equipo para ofrecer un rendimiento √≥ptimo de la inversi√≥n, seg√ļn Pipkin. Los procesadores no solo deben tener en cuenta el desembolso de capital inicial, sino tambi√©n analizar los costos de operaci√≥n del equipo durante su vida √ļtil, incluido el consumo de energ√≠a, los costos de mantenimiento, las reparaciones, el impacto ambiental, el cumplimiento normativo, el tiempo de inactividad potencial del equipo y los costos de mano de obra.

Pipkin recomienda que los fabricantes realicen un c√°lculo de carga de enfriamiento. La refrigeraci√≥n industrial funciona de manera m√°s eficiente cuando opera a plena carga, pero eso rara vez ocurre. Un c√°lculo de carga de enfriamiento eval√ļa si el equipo de congelaci√≥n o enfriamiento puede eliminar el calor de manera eficiente mientras se mantienen las condiciones del punto de ajuste de temperatura. Evita que los fabricantes pierdan puntos de referencia de productividad, y los ayuda a evitar la ineficiencia del proceso y el desperdicio de energ√≠a.

"Es muy importante realizar un c√°lculo de carga adecuado, teniendo en cuenta todas las consideraciones no solo para el rendimiento m√°ximo, sino tambi√©n para el rendimiento promedio y el rendimiento a menor escala", explica Pipkin. Los sistemas de refrigeraci√≥n generalmente est√°n dise√Īados para esos uno o dos d√≠as m√°s calurosos del a√Īo, para poder rechazar la cantidad de calor necesaria en las condiciones m√°s extenuantes, agrega. "Cada dos d√≠as est√° funcionando a algo menos que la capacidad m√°xima solo porque no tiene que trabajar tan duro para poder rechazar el calor en esos otros d√≠as ... Y ese es un gran desaf√≠o en la refrigeraci√≥n". [Debe] tener esa capacidad de cobertura para no tener problemas de ciclo corto y fallas prematuras del equipo. Observar el panorama general y dise√Īar para el escenario de baja carga que un propietario podr√≠a enfrentar es tan importante como dise√Īar para la capacidad de carga m√°xima. Las condiciones de baja carga pueden ser mucho m√°s comunes y, por lo tanto, tienen un mayor impacto en el consumo de energ√≠a que la capacidad m√°xima para algunos sistemas ".

Hacia la eficiencia

Para garantizar que los equipos de refrigeraci√≥n y congelaci√≥n funcionen de manera eficiente, muchos expertos en refrigeraci√≥n industrial sugieren aplicar unidades de frecuencia variable (VFD, por su sigla en ingl√©s) a los equipos. Los VFD pueden reducir la velocidad del equipo, lo que ayuda a reducir los costos de energ√≠a y extender la vida √ļtil del equipo. Pero los VFD tambi√©n pueden aumentar f√°cilmente el congelador o el equipo de enfriamiento si est√° a plena carga. Por ejemplo, los VFD en los ventiladores del condensador pueden controlar la presi√≥n del cabezal flotante. Disminuir la presi√≥n del cabezal flotante a trav√©s del VFD reduce el consumo de energ√≠a para los motores del ventilador del condensador y los motores del compresor. Los VFD tambi√©n pueden mejorar la eficiencia general en otras √°reas de un sistema de refrigeraci√≥n, incluidos los motores y bombas del ventilador del evaporador.

Los VFD tambi√©n pueden ayudar a los fabricantes a enfriar o congelar varios productos modificando el flujo de aire para cada producto. Por ejemplo, si un procesador congela hamburguesas gruesas de media libra, no puede usar la misma velocidad de flujo de aire para congelar hamburguesas de salchicha m√°s delgadas porque el flujo de aire las soplar√°  del transportador. Con un VFD, un operador puede ajustar f√°cilmente la velocidad del ventilador para congelar las unidades a la velocidad adecuada, acelerando el cambio. "El beneficio de un VFD es que puede regular el flujo de aire, por lo que no sopla el producto por todas partes", dice Paul Osterstrom, vicepresidente senior de marketing y ventas de Advanced Equipment Inc., un proveedor de congeladores y enfriadores, con sede en Richmond, Columbia Brit√°nica, Canad√°. "Los variadores de frecuencia hacen que la maquinaria sea m√°s flexible para cualquier producto que est√© ejecutando", agrega.

“Esto es algo que encontramos cada vez más porque nuestros clientes utilizan muchos productos diferentes en un congelador. A veces son de 10 a 20 productos diferentes, y no necesitan el mismo flujo de aire ", dice Mathieu Nouhin, gerente de producto de GEA, con sede en Dusseldorf, Alemania. "Agregamos inversores de frecuencia en el motor del ventilador para que podamos optimizar el flujo de aire para el producto, seleccionando la velocidad adecuada para los ventiladores y luego también ahorrando energía", agrega.

Del lado seguro

Los fabricantes tambi√©n solicitan m√°s caracter√≠sticas de seguridad alimentaria de sus equipos de refrigeraci√≥n industrial. Por ejemplo, los proveedores est√°n dise√Īando sus equipos con estructuras no huecas y construcci√≥n soldada. A diferencia del equipo que usa construcci√≥n atornillada, la construcci√≥n soldada no tiene puntos que faciliten el crecimiento de bacterias. Adem√°s, algunos fabricantes est√°n elevando sus equipos de refrigeraci√≥n industrial del piso con pasadores totalmente soldados en lugar de placas, que pueden atrapar la suciedad y las bacterias. Y los equipos de congelaci√≥n y enfriamiento de hoy en d√≠a a menudo tienen perfiles abiertos para permitir a los trabajadores acceder y limpiarlos f√°cilmente.

El factor fr√≠o: qu√© buscar en equipos eficientes de congelaci√≥n y refrigeraci√≥nMuchos tipos de equipos de enfriamiento y congelaci√≥n utilizan sistemas de recirculaci√≥n de limpieza en el lugar (CIP), que limpian el equipo varias veces y reciclan la soluci√≥n de limpieza durante el proceso CIP. Aseguran una limpieza a fondo y ahorran en el consumo de agua.Foto cortes√≠a de Advanced Equipment Inc.Seg√ļn Osterstrom, el dise√Īo y los materiales de los equipos de congelaci√≥n y enfriamiento son clave para garantizar la seguridad de los alimentos: ‚ÄúSi no tiene un congelador dise√Īado para una limpieza adecuada, realmente no importa qu√© tan bueno sea el sistema CIP que tenga. Si no dise√Īa una forma que evite que los alimentos queden atrapados y reduzca la cantidad de soldaduras, disminuya cualquier estructura porosa o reduzca los pernos y ese tipo de cosas, entonces todav√≠a no se obtiene la limpieza √≥ptima. Por lo tanto, es una combinaci√≥n de un sistema CIP y un congelador dise√Īado para estar limpio".

Los proveedores están aumentando las características CIP de sus equipos de congelación y refrigeración. Por ejemplo, GEA y Advanced Equipment ofrecen sistemas CIP de recirculación, que limpian el equipo varias veces y reciclan la solución de limpieza durante el proceso CIP. La solución se filtra antes de reinyectarse nuevamente en el equipo para una mayor limpieza. Este sistema CIP asegura que el equipo se limpie a fondo sin usar cantidades excesivas de agua, lo que resulta en un ahorro significativo de agua.

Algunos fabricantes, como los procesadores de carne, requieren un nivel extremadamente alto de higiene, por lo que utilizan sistemas de tratamiento t√©rmico o pasteurizaci√≥n junto con CIP. Una vez que se completa el proceso de CIP, el sistema de calor eleva la temperatura dentro del refrigerador o congelador a aproximadamente 170 ¬į F para eliminar cualquier pat√≥geno restante que el sistema CIP no haya detectado. Sin embargo, el tratamiento t√©rmico solo es efectivo para equipos de congelaci√≥n y enfriamiento que usan construcci√≥n soldada.

"Esto solo es posible con recintos totalmente soldados", dice Nouhin. Afirma que algunos proveedores de congeladores usan paneles aislados, que se ensamblan con juntas calafateadas. ‚ÄúEstas juntas pueden resistir una temperatura m√°xima de 140 ¬į F, lo que significa que no puede alcanzar la temperatura de pasteurizaci√≥n. Pero con los recintos totalmente soldados, no hay juntas calafateadas ni juntas de silicona. Por lo tanto, podemos aumentar la temperatura y alcanzar la temperatura de pasteurizaci√≥n de 170 ¬į F para asegurarnos de que se eliminen todas las bacterias ".

Los fabricantes también están recurriendo a la automatización para fortalecer sus protocolos de seguridad alimentaria y cumplir con las normas en este campo. Los sensores, los controladores lógicos programables y otros dispositivos similares de Internet de las Cosas les permiten a los operadores garantizar un control de temperatura constante y un monitoreo continuo de la temperatura. Además, la automatización incorporada en los equipos de congelación y refrigeración registra y almacena los datos que los fabricantes deben verificar a las agencias reguladoras que cumplen con las pautas de seguridad alimentaria.

"A medida que la seguridad alimentaria se vuelve cada vez más estricta, los requisitos para que los sistemas de refrigeración funcionen correctamente y mantengan temperaturas adecuadas también se vuelven cada vez más estrictos", dice Pipkin. "Por lo tanto, los programas de control informático y el registro de datos se han vuelto muy importantes no solo para el procesamiento, sino también para el sistema de refrigeración". Los fabricantes tienen la obligación de mantener esos datos durante largos períodos para demostrar que están siguiendo los procedimientos, los requisitos reglamentarios y las buenas prácticas de fabricación, agrega.

GEA utiliza sensores CALLIFREEZE en su l√≠nea de congeladores para controlar el estado de los productos que salen de los congeladores y luego calibra autom√°ticamente los par√°metros de los congeladores para garantizar que los productos se congelen seg√ļn los requisitos √≥ptimos. El sistema de control monitorea continuamente el nivel de agua cristalizada en los alimentos y luego ajusta autom√°ticamente el tiempo de retenci√≥n del producto en el congelador, la temperatura del aire y la velocidad del ventilador para lograr el nivel preciso de congelaci√≥n requerido con un consumo m√≠nimo de energ√≠a.

El factor fr√≠o: qu√© buscar en equipos eficientes de congelaci√≥n y refrigeraci√≥nCALLIFREEZE de GEA utiliza sensores para controlar el estado de los productos que salen del congelador y luego calibra autom√°ticamente los par√°metros del congelador para garantizar que los productos en el congelador se congelen seg√ļn los requisitos √≥ptimos, incluida la temperatura del aire y el tiempo de retenci√≥n.Foto cortes√≠a de GEA.Con los congeladores tradicionales, los operadores suelen extraer un lote aleatorio de producto de la l√≠nea para medir la temperatura. Debido a que los productos generalmente se congelan por completo, los operadores no pueden insertar sondas de temperatura en ellos. Entonces miden la temperatura de congelaci√≥n entre los productos.

GEA utiliza un sensor que mide de forma automática y continua a través del producto y mide su nivel de congelación y temperatura, dice Nouhin. “Ahora tenemos una medición en línea que proporciona información precisa y confianza sobre la calidad congelada del producto a la salida del congelador. Y también podemos usar este sensor para controlar nuestro congelador para asegurarnos de que los parámetros del este estén ajustados para cumplir con los requisitos objetivo".

Con CALLIFREEZE, los procesadores pueden monitorear el producto continuamente, dice Nouhin. "Esto mejora la seguridad alimentaria porque pueden asegurarse que el producto entregado desde el congelador cumpla con los objetivos [de temperatura] que establecieron para ese proceso".

Preocupaciones verdes

M√°s all√° de mejorar la seguridad alimentaria, muchos fabricantes desean que sus equipos de congelaci√≥n y enfriamiento les ayuden a reducir su impacto ambiental, lo que los lleva a considerar los mejores refrigerantes. Los refrigerantes sint√©ticos rentables, como los clorofluorocarbonos y los hidroclorofluorocarbonos, han ca√≠do en desgracia debido a su alto potencial de calentamiento global (GWP). Muchas agencias de seguridad y medio ambiente alientan a los fabricantes a usar refrigerantes naturales, como di√≥xido de carbono, amon√≠aco anhidro y propano, porque no da√Īan el medio ambiente y tienen poco o ning√ļn potencial de agotamiento de ozono y GWP.

"Por lo general, sugerimos mantener refrigerantes naturales como opciones viables debido a la longevidad que hemos visto con refrigerantes naturales", dice Pipkin. "Hemos pasado tres d√©cadas de prohibiciones de refrigerantes artificiales, y parece que la lista de usos disponibles se est√° volviendo cada vez m√°s peque√Īa, mientras que los refrigerantes naturales, especialmente CO2, amon√≠aco y propano, todav√≠a se usan com√ļnmente hoy en d√≠a".

El amon√≠aco sigue siendo la opci√≥n de refrigerante natural m√°s popular entre los fabricantes. Es un recurso natural abundante y de bajo costo que ofrece propiedades termodin√°micas superiores. Debido a que puede absorber grandes cantidades de calor a medida que se evapora, los fabricantes pueden usar menos amon√≠aco para lograr el mismo nivel de rendimiento que otros refrigerantes, as√≠ como tambi√©n usar tuber√≠as y componentes m√°s peque√Īos y delgados. Sin embargo, el amon√≠aco tambi√©n es altamente t√≥xico e inflamable, por lo que est√° sujeto a numerosas reglamentaciones por parte de agencias gubernamentales, incluida la Administraci√≥n de Seguridad y Salud Ocupacional y la Agencia de Protecci√≥n Ambiental.

Para mitigar el riesgo de exposición al amoníaco para los trabajadores y reducir la cantidad de amoníaco utilizado en los equipos de congelación y refrigeración, algunos fabricantes están utilizando sistemas en cascada de amoníaco y dióxido de carbono. Un sistema en cascada hace circular amoníaco y dióxido de carbono a través de sus propios compresores independientes, haciendo circular los refrigerantes por circuitos separados. Los dos circuitos están conectados por un intercambiador de calor llamado condensador en cascada. El amoníaco atraviesa el circuito de alta temperatura, mientras que el dióxido de carbono fluye a través del circuito de baja temperatura. Esta configuración permite que la carga de amoníaco se limite a la sala de máquinas, mientras que el dióxido de carbono está presente en las áreas de procesamiento y almacenamiento y se puede canalizar a otras partes de la planta.

Otra alternativa segura y respetuosa con el medio ambiente a un sistema tradicional de dos etapas con solo amon√≠aco es un sistema de baja carga, que utiliza amon√≠aco en vol√ļmenes muy bajos. Por ejemplo, el Sistema Central de Baja Carga (LCCS) de FRICK ayud√≥ a Congebec, el mayor proveedor de servicios refrigerados en la provincia de Quebec, Canad√°, a minimizar su carga de amon√≠aco en un 80%. LCCS minimiza el amon√≠aco l√≠quido mediante la distribuci√≥n de vapor de amon√≠aco en toda la planta. El vapor de amon√≠aco solo se condensa en l√≠quido en el punto de uso. No hay amon√≠aco l√≠quido en la sala de m√°quinas, y solo existe en la planta cerca de donde se necesita. El sistema reduce dr√°sticamente la cantidad de amon√≠aco en el espacio refrigerado, lo que reduce el da√Īo potencial del producto y las fugas de amon√≠aco que pueden da√Īar a los trabajadores.

El factor frío: qué buscar en equipos eficientes de congelación y refrigeraciónEl sistema central de baja carga de FRICK utiliza unidades de condensación distribuidas a distancia para minimizar el amoníaco líquido. Distribuye solo vapor de amoníaco en toda la planta. El vapor de amoníaco solo se condensa en líquido en el punto de uso.Foto cortesía de FRICK."No estamos moviendo líquido por toda la instalación. Solo estamos moviendo vapor. Así que estamos interconectando todo con líneas de vapor en lugar de líneas de líquido ", explica Nevin Forry, gerente de producto senior de FRICK. “Condensamos cerca del punto de uso, almacenamos solo una cantidad mínima de líquido en esos puntos, y luego usamos tecnología de baja carga para los evaporadores. Estamos utilizando evaporadores de expansión directa, lo que significa que no tenemos mucho líquido en los evaporadores en funcionamiento, agrega.

"Y luego solo estamos moviendo el vapor del punto A al punto B, de vuelta a la sala de compresión", agrega. "Entonces, la sala de compresión es lo que consideramos un sistema central, y luego mantenemos nuestro líquido al mínimo fuera de esas ubicaciones remotas".

El gran escalofrío

Si bien la mayoría de los fabricantes utilizan refrigeración mecánica, como los sistemas de amoníaco de baja carga, la refrigeración criogénica es otra opción ecológica que no utiliza amoníaco. La refrigeración mecánica utiliza refrigerantes para enfriar las bobinas para bajar la temperatura del aire. Ese aire frío pasa sobre los productos alimenticios para eliminar el calor de ellos. Con la refrigeración criogénica, por otro lado, los alimentos se rocían o se sumergen directamente en nitrógeno líquido o dióxido de carbono. La comida se congela o se enfría casi al instante.

La refrigeraci√≥n criog√©nica tiene muchos beneficios sobre la refrigeraci√≥n mec√°nica. Como refrigerantes, el nitr√≥geno o el di√≥xido de carbono tienen un impacto ambiental insignificante. Adem√°s, la refrigeraci√≥n criog√©nica puede alcanzar temperaturas considerablemente m√°s fr√≠as y enfriar los productos mucho m√°s r√°pido que la refrigeraci√≥n mec√°nica. Por ejemplo, la congelaci√≥n mec√°nica puede llegar a temperaturas tan bajas como -40 ¬į F. La congelaci√≥n criog√©nica puede bajar hasta -160 ¬į F con nitr√≥geno l√≠quido y -80 ¬į F con di√≥xido de carbono l√≠quido. Ese tipo de congelaci√≥n r√°pida reduce significativamente la deshidrataci√≥n o la quema del congelador, protegiendo as√≠ la textura y el sabor del producto.

"Si puedo congelar algo m√°s r√°pido, significa que obtendr√© cristales de hielo m√°s peque√Īos, lo que significa una mayor calidad del producto", dice Scott Robertson, gerente de la industria alimentaria de Am√©rica del Norte en Air Products, una compa√Ī√≠a de gases industriales con sede en Allentown, Penn.

La refrigeraci√≥n criog√©nica tambi√©n tiene costos iniciales m√°s bajos. La compra e instalaci√≥n de equipos es econ√≥mica y ocupa menos espacio en el piso en comparaci√≥n con los equipos de refrigeraci√≥n mec√°nica. Pero la refrigeraci√≥n criog√©nica requiere grandes vol√ļmenes de refrigerante, un gasto continuo y costoso.

Wolverine Packing Co., un procesador de carne en Detroit, ya ha visto un retorno de la inversi√≥n desde que instal√≥ dos sistemas de enfriamiento de inyecci√≥n de fondo criog√©nico (BI) de Messer, una compa√Ī√≠a con sede en Bridgewater, NJ que suministra gases industriales y equipos de congelaci√≥n y enfriamiento para la industria de alimentos. El procesador utiliza el sistema para mezclar su producto de carne molida antes de moler y formar las unidades. El sistema inyecta nitr√≥geno l√≠quido desde m√ļltiples puntos en la parte inferior de los mezcladores gemelos de Wolverine, aprovechando las propiedades termodin√°micas del nitr√≥geno. El nitr√≥geno comienza a enfriar el producto en el momento en que se inyecta y contin√ļa enfri√°ndolo a medida que se dispersa y se mezcla con el producto alimenticio. Seg√ļn Riley Cronk, planificador de producci√≥n en Wolverine, el sistema de BI enfr√≠a la temperatura de la carne entre 29 ¬į F y 31 ¬į F, el rango de temperatura ideal para formar las unidades, aproximadamente 30 segundos m√°s r√°pido por lote que el sistema de enfriamiento anterior de la compa√Ī√≠a.

Wolverine utiliz√≥ anteriormente un sistema de enfriamiento criog√©nico de di√≥xido de carbono que funcion√≥ bien hasta que la compa√Ī√≠a tuvo que aumentar la producci√≥n. Cuando se inyect√≥ el di√≥xido de carbono l√≠quido en la carne, Wolverine tuvo que darle al cri√≥geno suficiente tiempo para sublimarse. Pero a medida que crecieron las demandas de producci√≥n, la empresa no tuvo tiempo de esperar la sublimaci√≥n completa. Entonces, las finas part√≠culas de di√≥xido de carbono se convirtieron en humedad en lugar de gas, atrapando la humedad en la carne. Eso cre√≥ un l√≠quido rojo y una fuga de aire de la carne en el empaque.

Cuando Wolverine cambi√≥ al sistema de BI, no tuvo que esperar mucho para que se produjera la sublimaci√≥n con el nitr√≥geno despu√©s de la mezcla. Como resultado, el nuevo sistema de BI est√° ayudando a la compa√Ī√≠a a ganar 50 minutos m√°s de tiempo de producci√≥n al d√≠a, o de tres a cinco lotes m√°s por d√≠a. Eso equivale a 30,000 lb adicionales de unidades de carne molida al d√≠a.

"Ya no tenemos problemas de empaque de calidad", dice Cronk. "No tenemos que preocuparnos de que la nieve de CO2 quede atrapada en la carne y cause problemas de calidad, y simplemente acelera todo nuestro proceso. Eso es un gran beneficio. Ganar esos 30 segundos adicionales por lote fue muy √ļtil ".