Tecnología frigorífica
Las bajas temperaturas son aquellas
que resultan o se crean, en un momento dado, por debajo de, o
inferiores, a las imperantes en el medio ambiente que las envuelve y a
las que llamamos “zona de frío”.
La importancia del tratamiento del “frío” adquiere trascendentes dimensiones sociales al formar parte indiscutible de los procesos y almacenamientos de los alimentos perecederos; pero, por supuesto, la tecnología del frío no está confinada a dicho campo. En su estudio encontramos fascinantes áreas de conocimiento que se extienden desde las que permiten obtener control de nuestro propio confort corporal hasta las que comprenden los fenómenos de superconductividad y de súper fluidez en la proximidad del 0° absoluto.
En realidad, podremos hablar de muy diversos métodos de obtener frío, y regresaremos en su debido momento al tema. La obtención del frío se puede basar en métodos que aprovechan diferentes fenómenos químicos, fisicoquímicos o físicos. Sin pretender reducirnos a un solo sistema o principio de generación de frío podemos, sin embargo, a partir de su importancia relativa, citar el método más universalmente aplicado, que resulta ser el empleo del principio de que cualquier líquido al evaporarse requiere tomar calor de su ambiente. A su vez, de entre los modelos que utilizan dicho principio, destaca el de evaporación de fluidos en ciclos cerrados de evaporación-compresión-condensación-expansión que aquí llamamos circuito ECCE.
Efectivamente, todos los líquidos, al evaporarse, absorben calor y lo hacen en forma selectiva, es decir, típica de cada fluido en cuanto a la temperatura a que sucede y a su calor de cambio de estado (calor absorbido por unidad de masa), anotando que la temperatura de evaporación será tanto más baja como baja sea la presión a la que se evapora un determinado fluido.
No todos los fluidos son convenientes para un circuito ECCE, y por eso llamamos refrigerantes a los fluidos que tienen características tales que presentan una ventaja relativa en cuanto a su rendimiento al utilizarse en aparatos o sistemas que funcionen según dicho ciclo. De entre los refrigerantes más usuales, el amoniaco ha sido desde hace muchos años el refrigerante de los frigoríficos de tamaño medio a grande. La difusión, en los años 50 del siglo XX, de los refrigerantes derivados halogenados del metano (conocidos como los FREONes o FRIGENs o GENETRONes... por sus marcas comerciales) produjo una substancial substitución del amoniaco en algunos, entonces, nuevos proyectos. Posteriormente, sin embargo, se supo de efectos ecológicamente indeseables que muchos de aquellos “nuevos” refrigerantes presentaban como potencialmente afectadores de la capa de ozono de nuestra atmósfera que en su parte más alta sirve de protección filtrante de los rayos ultravioleta (UV), llamado índice ODP (Ozone Depletion Potential) y, por otro lado su participación en el calentamiento global conocido por el índice de GWP (Global Warming Potential).
Estos índices resultan inoperablemente altos en los refrigerantes derivados halogenados del metano (en especial los clorinados con substitución total del hidrógeno en sus moléculas, tales como el R-11 y el R-12), y esto ha contribuido a plantear y adoptar diversos convenios internacionales, entre los que destaca el protocolo de Montreal, que han fijado la pauta de limitación y hasta prohibición del uso de varios de los refrigerantes que, como los mencionados, suponen un peligro para el ambiente. Disponemos de algunas alternativas en otros nuevos refrigerantes como son el R-134, el R-404A, el R-406B ó el R-32 pero aún estamos en espera del surgimiento de un substituto del amoniaco para las aplicaciones industriales en lo general debido a que este refrigerante tiene índices 0 en ambos efectos y a lo que suma tener tales características térmicas y termodinámicas que las nuevas tecnologías, lo han confirmado como el ideal para la mayor parte de los casos donde se requiera de potencias de motor de compresores superiores a 25 o 30 HP (hasta varios cientos o miles de HP) y siempre y cuando una fuga del refrigerante mismo no irrumpa en áreas públicas confinadas en las que su olor típico, su característica de irritante de las mucosas y su ligero potencial explosivo lo hagan indeseable.
La tendencia, como resumen y según se soporta especialmente en Europa, es regresar a los refrigerantes llamados naturales, entre los cuales se citan agua, dióxido de carbono, dióxido de azufre, amoniaco y metano. Disponemos, sin embargo, de otros muchos fluidos refrigerantes y a ello nos referiremos en un capítulo posterior dedicado en lo especial.
Por todo lo anterior, la selección tanto del método de producción de frío como del refrigerante resulta de gran interés. Los principios en que se basa el diseño de un frigorífico son comunes a todos ellos; la diferencia principal, al fin y al cabo se basa en modular adecuadamente las presiones de operación, optimizar los procesos de intercambio de calor, cuidar el consumo de energía y circuitar el sistema de acuerdo a las propiedades fisicoquímicas del refrigerante utilizado. Nosotros vamos a utilizar el amoníaco como base de muchos de los cálculos en estos trabajos, basándonos en su buen rendimiento, su probada eficiencia para proyectos industriales y nuestra experiencia al haber diseñado más de un centenar de instalaciones con dicho refrigerante (conocido técnicamente como el R-717), en el ámbito de las nuevas tecnologías e incluso porque, en el curso de dichas experiencias, hemos hecho modestas contribuciones en lo que se refiere a aportar algunas ideas innovadoras. Por esto nos atrevemos a poner esta serie de publicaciones en sus manos con la esperanza que les sea útil como elemento de estudio o de consulta.
SURGIMIENTO DE LA TECNOLOGÍA DE LAS BAJAS TEMPERATURAS
El conocimiento sobre la aplicación de las bajas temperaturas en sus múltiples facetas, incluyendo la protección de los alimentos, es muy antigua. Encontramos aplicaciones en muchas de las culturas proverbiales, incluyendo la antigua China, Egipto, y, por supuesto, las culturas mediterráneas posteriores.
Es lógico pensar que aplicar frío correspondía en un principio a almacenar hielo o nieve recolectados localmente, en el invierno o cosechado de los picos nevados y su eventual transporte a otros lugares. Por supuesto, eso no siempre era ni fácilmente disponible ni viable de llevar a cabo. No obstante lo anterior, ya se sabía (China, S XIV; Italia, S. XVII) que la evaporación de salmuera de Cloruro de Sodio (ClNa) sucedía a temperatura más baja que el agua y se podía utilizar para mantener frescos ciertos productos. Se descubrió, asimismo, que la mezcla de sal con hielo producía una muy baja temperatura (-21°C). Podemos decir que antes de la Revolución Industrial ya se conocía del frío a nivel de algunos de sus fenómenos naturales y reproducibles por el hombre. De suyo, las bebidas frías habían sido ya una oferta comercial en España e Italia desde mediados del siglo XVI y en Francia desde el principio del XVII.
Quizás el primer experimento que se reporta sobre la obtención del frío por medios artificiales es el de William Cullen, en 1748 en la Universidad de Glasgow. No se buscó aplicación práctica.
Tras la Revolución Industrial, iniciada a mediados del siglo XVIII, se comenzó a disponer de nuevas tecnologías de obtención de compuestos que representaron posteriormente la viabilidad de la obtención artificial del frío, por ejemplo, Joseph Priestley aisló el amoniaco en 1761. Pronto se aceptó que algunos compuestos, como el propio amoniaco y el Dióxido de Carbono (CO2) (aislado en 1769), tenían propiedades que sugerían su aplicación como refrigerante.
En 1799 se estableció una operación comercial de hielo desde Nueva York a Carolina del Sur iniciando el que resultó ser muy importante mercado de hielo. Este mercado habría de sufrir las consecuencias de la guerra civil americana ya que, al interrumpir el suministro de hielo del Norte al Sur, promovió en el Sur la atención a la tecnología de generación de hielo artificial.
En 1803 un granjero de Maryland, Thomas Moore, introdujo el concepto de “refrigerador”. En 1805 un físico americano, Oliver Evans, diseño la primera “máquina frigorífica”, pero no fue sino hasta 1820 que se logró éxito en hacer hielo en forma artificial y, hasta en 1824 en el que Michael Faraday plantea los principios del ciclo de absorción (en ese mismo año Carnot había postulado el ciclo termodinámico que lleva su nombre). En 1834 el norteamericano Jacob Perkins plantea el circuito cerrado de refrigeración con compresión mecánica (funcionaba con éter). Hoben continuó ese mismo año con una patente.
El invento de Oliver Evans motivó a un médico, John Gorrie, a planear un acondicionador de aire, con hielo, para aliviar a sus enfermos de fiebre, en 1844.
El francés Edmond Carré diseñó un equipo de absorción con agua y ácido sulfúrico, en 1850; su hermano, Ferdinand Carré construyó en 1859 el primer equipo de absorción con amoniaco y agua, basado en los experimentos que ya se habían llevado con éxito en Alemania en 1855. El concepto de vagón de tren refrigerado fue patentado en 1867 por J.B. Sutherland y ese mismo año se utilizó para transportar legumbres por Parker Earle de Illinois.
Desde 1860 comienza a crecer la industria frigorífica. El alemán Karl von Linde diseña el primer circuito exitoso de compresión de vapor usando amoniaco (1873); ese mismo año David Boyle construye la primera planta de hielo con amoniaco en Jefferson, Texas, pero no es sino hasta el anormalmente cálido invierno de 1890 en el que se escasea el hielo natural y comienza a expandirse la industria del hielo. En ese lapso se patentan muchos aparatos, citando, entre otros a dos afroamericanos: T. Elkins en 1879 y John Standard en 1891.
En la primera mitad del siglo XX el crecimiento y diversificación de las aplicaciones del frío se hacen evidentes. En 1910 se crean los primeros refrigeradores domésticos (manuales por Larsen en 1913, automáticos por Kelvinator en 1918). Electrolux produjo desde 1927 un refrigerador doméstico trabajando por absorción. General Electric introdujo el primer circuito “sellado” y automático en 1928 (el “monitor top”).
Desde 1920 se comienza a expandir la industria de la congelación. En la misma década se trabaja en la búsqueda de nuevos refrigerantes y se comienza a hablar de los CFC como el ideal de refrigerante no tóxico (Recordemos que hasta entonces se usaban el cloruro de metilo, el dióxido de azufre y el, siempre presente, amoníaco). Varias décadas después se descubre el grave daño ambiental del uso de los CFC.
Desde e1 siglo XIX se inicia la industria del Aire acondicionado.
Desde 1935 se cuenta con equipos de refrigeración para el transporte.
En 1940 comienza a tener un mercado el aire acondicionado en los automóviles.
En fin, hoy en día dependemos de esta Industria para vestir bien, comer bien o sentirnos bien y para muchas cosas más.
En suma, la base de gran parte de las aplicaciones de la Frigotécnia, muchas veces también llamada, con menor propiedad, Refrigeración, se conoce desde tiempos antiguos. El siglo XIX vió los albores de la refrigeración artificial, al obtener temperaturas por debajo de las del ambiente con ayuda de máquinas, y el siglo XX, entre otras tantas áreas de impacto general, la estableció como una tecnología de carácter fundamental y necesaria para áreas tan dispares como la metalurgia, el tratamiento y conservación de alimentos perecederos y la regulación de las reacciones químicas, entre otras.
La industria cervecera alemana y los requisitos del manejo de legumbres en los EE.UU., fueron las primeras aplicaciones que sustentaron el rápido crecimiento de la industria del Frío, que, al principio, se motivaba casi exclusivamente por la producción de hielo “artificial”.
Hace unos cuantos años sólo las grandes empresas cobijaban el interés para la formación de especialistas en la materia. Poco a poco esto ha ido cambiando y, hoy en día, a pesar de una serie de deficiencias en algunos ámbitos, se puede observar una creciente atención hacia el desarrollo Científico y Tecnológico referido a la Frigotécnia sustentado en una visión mucho más sistemática y compartido por empresas e instituciones.
CONCEPTO DE FRIGOTECNIA
La Frigotécnia es el nombre del conjunto de disciplinas científicas y tecnológicas referidas a tratar la que identificamos como “zona de frío”.
Como primer paso de su entendimiento e identidad del tema que nos ocupa, buscamos las posibles convenciones que ayuden a clasificar los ámbitos o a agrupar las técnicas afines al mismo. Todo conocimiento puede quedar sistematizado en un conjunto divisor, es decir en una clasificación, o varias, en la que el todo se divida en segmentos mutuamente excluyentes. Así debe ser el tratado de la disciplina científica que se refiera a la aplicación y obtención de las bajas temperaturas, a lo que hemos llamado Frigotécnia, y la que, a su vez, puede dividirse en dos grandes áreas:la Frigonomía; que se refiere a conocer y metodizar el conocimiento sobre los efectos asociados a la baja temperatura y sus aplicaciones tecnológicas, yla Frigogenia; la disciplina tecnológica que se ocupa de la producción de dichas bajas temperaturas.
LA FRIGOTÉCNIA ES UN SISTEMA TECNOLÓGICO
Es un sistema en cuanto se trata de un conjunto de conocimientos interrelacionados que participan en un fin común: la razón y la aplicación de las bajas temperaturas en beneficio del hombre en la sociedad.
El sistema es tecnológico porque tiene un énfasis en el arte requerido para su aplicabilidad como medio en que el hombre trata de adaptar y transformar la naturaleza en su beneficio.
He escrito un libro sobre el tema, titulado "Panorama sistemático de las aplicaciones de la Tecnología de bajas temperaturas a los alimentos"(UNAM, 1989, ISBN 968-36-0758-6) en el que se trata en lo extenso algunas convenciones para el análisis metodológico tanto de la Frigonomía como de la Frigogenia.
Una de las convenciones presentadas en dicho libro es la de clasificar las aplicaciones de la Frigonomía según las llamadas "Bandas de Temperatura". Con ello nos referimos a entornos de temperatura a los que nos podemos dirigir en forma definida por ser “zonas” donde prepondera un fin o un tratamiento tecnológico particular. Por supuesto que esto no es excluyente de algún proceso o suceso que traslape los límites sugeridos:
- Confort (30° a 20° C )
- Refresco (19° a 12° C)
- Refrigeración (11° a 0° C)
- Subfrigeración (-1° a -5° C)
- Congelación (-6° a -49° C)
- Subgelación (-50° a -179° C)
- Criogenización (-180° a -273.16 °C)
Cada una de esas bandas, como decíamos, tienen un sentido definido y pueden ser utilizadas para catalogar capítulos en que se refieran los campos de aplicación de la Frigotécnia en sus varios aspectos, ya que, en cada una de las citadas “bandas” de temperatura se pueden hallar conocimientos específicos tanto de lo frigonómico como de lo frigogenico.
LA ENSEÑANZA DE LA FRIGOTECNIA
Hace mucha falta plantear una enseñanza específica, razonada y razonable de los temas de la Frigotécnia tanto en el uso del frío, la Frigonomía, como en la de la producción de frío, la Frigogenia.
Como colofón de lo anterior hemos de entender que el ámbito de aplicaciones de las tecnologías frigoríficas exige el desarrollo de conocimientos tanto de la técnica térmica específica como el de los factores que intervienen en el proceso o conjunto de procesos con los que se combina en el tratamiento integral del producto. Dicho de otra forma, el ingeniero frigorista debe conocer de los procesos con los que su aplicación se acopla o encadena, y los sucesos de tal índole que por su acción se secuencian.
El estudiante y profesional de la Frigotécnia tiene que conocer sobre las materias, tanto biológicas como químicas y físicas, entre ellas las termodinámicas, que confluyen en dichas aplicaciones, en cada una de las bandas que hemos enunciado anteriormente para entender el sentido del quehacer que se abre con el manejo y relación adecuados de las tecnologías del medio.
Hay varios niveles por definir desde lo técnico a lo académico de nivel superior y se necesita crear un ámbito que marque la diferencia de cada una de las citadas bandas de temperatura, distinguiendo oportunamente el estudio del Aire Acondicionado como un capítulo diferente y diferenciado del de la Frigotécnia general que siempre acepta, además, su típica clasificación en comercial e industrial.
El problema de búsqueda de nuevos refrigerantes, la necesidad del “retrofit”, o conversión a los nuevos refrigerantes y tecnologías, ha mejorado notablemente la atención al respecto en la última década, pero requerimos más esfuerzo académico formalizado.
En lo personal, he estado involucrado tanto en los aspectos de desarrollo de proyectos como en las actividades académicas en el nivel superior, y creo que hay campos ya definidos para nuevos diplomados y postgrados de especialización y maestría en la materia en los países de habla hispana. Lo logremos o no, este trabajo trata de ser una aportación más en aportar motivación en ese sentido.
Haciendo un pequeño resumen de lo que se debe saber para entrar con propiedad al tema, propondría la siguiente formación propedéutica mínima:
Un buen manejo de la geometría analítica y del cálculo matemático hasta el nivel de introducción a las ecuaciones diferenciales de primer orden.
Conocimientos en biología, química orgánica e inorgánica con suficiencia para leer y entender sobre las estructuras en el ámbito molecular, distinguir la caracterización en el ámbito celular y entender los tejidos básicos vegetales y animales y sus procesos bioquímicos básicos.
Conocimientos en física general que permitan un buen tratamiento de los problemas mecánicos, térmicos, eléctricos y fisicoquímicos.
Una buena base de conocimiento de la termodinámica general y aplicada.
Una fundamentada preparación sobre la responsabilidad de administrar el consumo de energía y el compromiso de no impactar, en cualquier sentido negativo, los factores ambientales.
Manejo de computadoras (ordenadores) a nivel de Suites de servicio múltiple y medios de dibujo.
Conocimiento sobre la normatividad en la materia (manejo de alimentos, electricidad…)
Los antecedentes exigibles para leer y entender la serie de trabajos, del cual el presente es la introducción, son menores de los citados para la especialización o maestría en Frigotécnia. Se ha hecho un esfuerzo para combinar en lo posible lo práctico con lo teórico fundamental, para que su lectura ayude a diversos niveles de estudio. Con dichos conocimientos, el candidato a un postgrado en el área de la Frigotécnia, con especialidad en las aplicaciones relacionadas con los alimentos, deberá estudiar el siguiente conjunto de materias, que pueden constituir una primera proposición curricular base para la maestría que estamos proponiendo en esta introducción:
Desarrollo sustentable y protección del ambiente.
Cuidados antes de la cosecha, tratamientos postcosecha, enfriamiento y almacenamiento refrigerado de productos alimenticios de origen vegetal.
Cuidados en vivo, tratamiento postsacrificio, enfriamiento y almacenamiento refrigerado de productos alimenticios de origen animal.
Congelación de productos alimenticios naturales y procesos de industrialización de valor agregado asociados a técnicas de baja temperatura.
Panorama sistemático de aplicaciones de las bajas temperaturas para procesos y almacenamientos diversos.
Cuantificación de la potencia frigorífica requerida
Psicometría y manejo de humedad.
Métodos de producción de frío y selección de refrigerantes y lubricantes. Procesos termodinámicos y ciclos frigoríficos.
Transferencia de calor, masa y momento.
Selección de tuberías y tanques a presión y medios auxiliares en las instalaciones frigoríficas.
Selección y diseño de equipos componentes de sistemas frigoríficos: compresores, condensadores, sistemas de suministro de líquido y evaporadores.
Centralización y asociación de equipos en casos complejos.
Equipamiento eléctrico de fuerza.
Automatización de puntos de control y de proceso.
Producción de hielo.
Aire Acondicionado.
Ciclos frigoríficos especiales y tecnología criogénica.
Normatividad nacional e internacional en la materia.
Construcción de frigoríficos y el problema de aislamiento.
Ingeniería de proyectos y operación de la oficina técnica.
Técnicas de respeto y mantenimiento.
Todo ello tendrá un espacio en los siguientes trabajos de esta serie, aclarando, sin embargo, que trataremos de hacerlos asequibles a los interesados en la Frigotécnia a todos sus niveles.
La importancia del tratamiento del “frío” adquiere trascendentes dimensiones sociales al formar parte indiscutible de los procesos y almacenamientos de los alimentos perecederos; pero, por supuesto, la tecnología del frío no está confinada a dicho campo. En su estudio encontramos fascinantes áreas de conocimiento que se extienden desde las que permiten obtener control de nuestro propio confort corporal hasta las que comprenden los fenómenos de superconductividad y de súper fluidez en la proximidad del 0° absoluto.
En realidad, podremos hablar de muy diversos métodos de obtener frío, y regresaremos en su debido momento al tema. La obtención del frío se puede basar en métodos que aprovechan diferentes fenómenos químicos, fisicoquímicos o físicos. Sin pretender reducirnos a un solo sistema o principio de generación de frío podemos, sin embargo, a partir de su importancia relativa, citar el método más universalmente aplicado, que resulta ser el empleo del principio de que cualquier líquido al evaporarse requiere tomar calor de su ambiente. A su vez, de entre los modelos que utilizan dicho principio, destaca el de evaporación de fluidos en ciclos cerrados de evaporación-compresión-condensación-expansión que aquí llamamos circuito ECCE.
Efectivamente, todos los líquidos, al evaporarse, absorben calor y lo hacen en forma selectiva, es decir, típica de cada fluido en cuanto a la temperatura a que sucede y a su calor de cambio de estado (calor absorbido por unidad de masa), anotando que la temperatura de evaporación será tanto más baja como baja sea la presión a la que se evapora un determinado fluido.
No todos los fluidos son convenientes para un circuito ECCE, y por eso llamamos refrigerantes a los fluidos que tienen características tales que presentan una ventaja relativa en cuanto a su rendimiento al utilizarse en aparatos o sistemas que funcionen según dicho ciclo. De entre los refrigerantes más usuales, el amoniaco ha sido desde hace muchos años el refrigerante de los frigoríficos de tamaño medio a grande. La difusión, en los años 50 del siglo XX, de los refrigerantes derivados halogenados del metano (conocidos como los FREONes o FRIGENs o GENETRONes... por sus marcas comerciales) produjo una substancial substitución del amoniaco en algunos, entonces, nuevos proyectos. Posteriormente, sin embargo, se supo de efectos ecológicamente indeseables que muchos de aquellos “nuevos” refrigerantes presentaban como potencialmente afectadores de la capa de ozono de nuestra atmósfera que en su parte más alta sirve de protección filtrante de los rayos ultravioleta (UV), llamado índice ODP (Ozone Depletion Potential) y, por otro lado su participación en el calentamiento global conocido por el índice de GWP (Global Warming Potential).
Estos índices resultan inoperablemente altos en los refrigerantes derivados halogenados del metano (en especial los clorinados con substitución total del hidrógeno en sus moléculas, tales como el R-11 y el R-12), y esto ha contribuido a plantear y adoptar diversos convenios internacionales, entre los que destaca el protocolo de Montreal, que han fijado la pauta de limitación y hasta prohibición del uso de varios de los refrigerantes que, como los mencionados, suponen un peligro para el ambiente. Disponemos de algunas alternativas en otros nuevos refrigerantes como son el R-134, el R-404A, el R-406B ó el R-32 pero aún estamos en espera del surgimiento de un substituto del amoniaco para las aplicaciones industriales en lo general debido a que este refrigerante tiene índices 0 en ambos efectos y a lo que suma tener tales características térmicas y termodinámicas que las nuevas tecnologías, lo han confirmado como el ideal para la mayor parte de los casos donde se requiera de potencias de motor de compresores superiores a 25 o 30 HP (hasta varios cientos o miles de HP) y siempre y cuando una fuga del refrigerante mismo no irrumpa en áreas públicas confinadas en las que su olor típico, su característica de irritante de las mucosas y su ligero potencial explosivo lo hagan indeseable.
La tendencia, como resumen y según se soporta especialmente en Europa, es regresar a los refrigerantes llamados naturales, entre los cuales se citan agua, dióxido de carbono, dióxido de azufre, amoniaco y metano. Disponemos, sin embargo, de otros muchos fluidos refrigerantes y a ello nos referiremos en un capítulo posterior dedicado en lo especial.
Por todo lo anterior, la selección tanto del método de producción de frío como del refrigerante resulta de gran interés. Los principios en que se basa el diseño de un frigorífico son comunes a todos ellos; la diferencia principal, al fin y al cabo se basa en modular adecuadamente las presiones de operación, optimizar los procesos de intercambio de calor, cuidar el consumo de energía y circuitar el sistema de acuerdo a las propiedades fisicoquímicas del refrigerante utilizado. Nosotros vamos a utilizar el amoníaco como base de muchos de los cálculos en estos trabajos, basándonos en su buen rendimiento, su probada eficiencia para proyectos industriales y nuestra experiencia al haber diseñado más de un centenar de instalaciones con dicho refrigerante (conocido técnicamente como el R-717), en el ámbito de las nuevas tecnologías e incluso porque, en el curso de dichas experiencias, hemos hecho modestas contribuciones en lo que se refiere a aportar algunas ideas innovadoras. Por esto nos atrevemos a poner esta serie de publicaciones en sus manos con la esperanza que les sea útil como elemento de estudio o de consulta.
SURGIMIENTO DE LA TECNOLOGÍA DE LAS BAJAS TEMPERATURAS
El conocimiento sobre la aplicación de las bajas temperaturas en sus múltiples facetas, incluyendo la protección de los alimentos, es muy antigua. Encontramos aplicaciones en muchas de las culturas proverbiales, incluyendo la antigua China, Egipto, y, por supuesto, las culturas mediterráneas posteriores.
Es lógico pensar que aplicar frío correspondía en un principio a almacenar hielo o nieve recolectados localmente, en el invierno o cosechado de los picos nevados y su eventual transporte a otros lugares. Por supuesto, eso no siempre era ni fácilmente disponible ni viable de llevar a cabo. No obstante lo anterior, ya se sabía (China, S XIV; Italia, S. XVII) que la evaporación de salmuera de Cloruro de Sodio (ClNa) sucedía a temperatura más baja que el agua y se podía utilizar para mantener frescos ciertos productos. Se descubrió, asimismo, que la mezcla de sal con hielo producía una muy baja temperatura (-21°C). Podemos decir que antes de la Revolución Industrial ya se conocía del frío a nivel de algunos de sus fenómenos naturales y reproducibles por el hombre. De suyo, las bebidas frías habían sido ya una oferta comercial en España e Italia desde mediados del siglo XVI y en Francia desde el principio del XVII.
Quizás el primer experimento que se reporta sobre la obtención del frío por medios artificiales es el de William Cullen, en 1748 en la Universidad de Glasgow. No se buscó aplicación práctica.
Tras la Revolución Industrial, iniciada a mediados del siglo XVIII, se comenzó a disponer de nuevas tecnologías de obtención de compuestos que representaron posteriormente la viabilidad de la obtención artificial del frío, por ejemplo, Joseph Priestley aisló el amoniaco en 1761. Pronto se aceptó que algunos compuestos, como el propio amoniaco y el Dióxido de Carbono (CO2) (aislado en 1769), tenían propiedades que sugerían su aplicación como refrigerante.
En 1799 se estableció una operación comercial de hielo desde Nueva York a Carolina del Sur iniciando el que resultó ser muy importante mercado de hielo. Este mercado habría de sufrir las consecuencias de la guerra civil americana ya que, al interrumpir el suministro de hielo del Norte al Sur, promovió en el Sur la atención a la tecnología de generación de hielo artificial.
En 1803 un granjero de Maryland, Thomas Moore, introdujo el concepto de “refrigerador”. En 1805 un físico americano, Oliver Evans, diseño la primera “máquina frigorífica”, pero no fue sino hasta 1820 que se logró éxito en hacer hielo en forma artificial y, hasta en 1824 en el que Michael Faraday plantea los principios del ciclo de absorción (en ese mismo año Carnot había postulado el ciclo termodinámico que lleva su nombre). En 1834 el norteamericano Jacob Perkins plantea el circuito cerrado de refrigeración con compresión mecánica (funcionaba con éter). Hoben continuó ese mismo año con una patente.
El invento de Oliver Evans motivó a un médico, John Gorrie, a planear un acondicionador de aire, con hielo, para aliviar a sus enfermos de fiebre, en 1844.
El francés Edmond Carré diseñó un equipo de absorción con agua y ácido sulfúrico, en 1850; su hermano, Ferdinand Carré construyó en 1859 el primer equipo de absorción con amoniaco y agua, basado en los experimentos que ya se habían llevado con éxito en Alemania en 1855. El concepto de vagón de tren refrigerado fue patentado en 1867 por J.B. Sutherland y ese mismo año se utilizó para transportar legumbres por Parker Earle de Illinois.
Desde 1860 comienza a crecer la industria frigorífica. El alemán Karl von Linde diseña el primer circuito exitoso de compresión de vapor usando amoniaco (1873); ese mismo año David Boyle construye la primera planta de hielo con amoniaco en Jefferson, Texas, pero no es sino hasta el anormalmente cálido invierno de 1890 en el que se escasea el hielo natural y comienza a expandirse la industria del hielo. En ese lapso se patentan muchos aparatos, citando, entre otros a dos afroamericanos: T. Elkins en 1879 y John Standard en 1891.
En la primera mitad del siglo XX el crecimiento y diversificación de las aplicaciones del frío se hacen evidentes. En 1910 se crean los primeros refrigeradores domésticos (manuales por Larsen en 1913, automáticos por Kelvinator en 1918). Electrolux produjo desde 1927 un refrigerador doméstico trabajando por absorción. General Electric introdujo el primer circuito “sellado” y automático en 1928 (el “monitor top”).
Desde 1920 se comienza a expandir la industria de la congelación. En la misma década se trabaja en la búsqueda de nuevos refrigerantes y se comienza a hablar de los CFC como el ideal de refrigerante no tóxico (Recordemos que hasta entonces se usaban el cloruro de metilo, el dióxido de azufre y el, siempre presente, amoníaco). Varias décadas después se descubre el grave daño ambiental del uso de los CFC.
Desde e1 siglo XIX se inicia la industria del Aire acondicionado.
Desde 1935 se cuenta con equipos de refrigeración para el transporte.
En 1940 comienza a tener un mercado el aire acondicionado en los automóviles.
En fin, hoy en día dependemos de esta Industria para vestir bien, comer bien o sentirnos bien y para muchas cosas más.
En suma, la base de gran parte de las aplicaciones de la Frigotécnia, muchas veces también llamada, con menor propiedad, Refrigeración, se conoce desde tiempos antiguos. El siglo XIX vió los albores de la refrigeración artificial, al obtener temperaturas por debajo de las del ambiente con ayuda de máquinas, y el siglo XX, entre otras tantas áreas de impacto general, la estableció como una tecnología de carácter fundamental y necesaria para áreas tan dispares como la metalurgia, el tratamiento y conservación de alimentos perecederos y la regulación de las reacciones químicas, entre otras.
La industria cervecera alemana y los requisitos del manejo de legumbres en los EE.UU., fueron las primeras aplicaciones que sustentaron el rápido crecimiento de la industria del Frío, que, al principio, se motivaba casi exclusivamente por la producción de hielo “artificial”.
Hace unos cuantos años sólo las grandes empresas cobijaban el interés para la formación de especialistas en la materia. Poco a poco esto ha ido cambiando y, hoy en día, a pesar de una serie de deficiencias en algunos ámbitos, se puede observar una creciente atención hacia el desarrollo Científico y Tecnológico referido a la Frigotécnia sustentado en una visión mucho más sistemática y compartido por empresas e instituciones.
CONCEPTO DE FRIGOTECNIA
La Frigotécnia es el nombre del conjunto de disciplinas científicas y tecnológicas referidas a tratar la que identificamos como “zona de frío”.
Como primer paso de su entendimiento e identidad del tema que nos ocupa, buscamos las posibles convenciones que ayuden a clasificar los ámbitos o a agrupar las técnicas afines al mismo. Todo conocimiento puede quedar sistematizado en un conjunto divisor, es decir en una clasificación, o varias, en la que el todo se divida en segmentos mutuamente excluyentes. Así debe ser el tratado de la disciplina científica que se refiera a la aplicación y obtención de las bajas temperaturas, a lo que hemos llamado Frigotécnia, y la que, a su vez, puede dividirse en dos grandes áreas:la Frigonomía; que se refiere a conocer y metodizar el conocimiento sobre los efectos asociados a la baja temperatura y sus aplicaciones tecnológicas, yla Frigogenia; la disciplina tecnológica que se ocupa de la producción de dichas bajas temperaturas.
LA FRIGOTÉCNIA ES UN SISTEMA TECNOLÓGICO
Es un sistema en cuanto se trata de un conjunto de conocimientos interrelacionados que participan en un fin común: la razón y la aplicación de las bajas temperaturas en beneficio del hombre en la sociedad.
El sistema es tecnológico porque tiene un énfasis en el arte requerido para su aplicabilidad como medio en que el hombre trata de adaptar y transformar la naturaleza en su beneficio.
He escrito un libro sobre el tema, titulado "Panorama sistemático de las aplicaciones de la Tecnología de bajas temperaturas a los alimentos"(UNAM, 1989, ISBN 968-36-0758-6) en el que se trata en lo extenso algunas convenciones para el análisis metodológico tanto de la Frigonomía como de la Frigogenia.
Una de las convenciones presentadas en dicho libro es la de clasificar las aplicaciones de la Frigonomía según las llamadas "Bandas de Temperatura". Con ello nos referimos a entornos de temperatura a los que nos podemos dirigir en forma definida por ser “zonas” donde prepondera un fin o un tratamiento tecnológico particular. Por supuesto que esto no es excluyente de algún proceso o suceso que traslape los límites sugeridos:
- Confort (30° a 20° C )
- Refresco (19° a 12° C)
- Refrigeración (11° a 0° C)
- Subfrigeración (-1° a -5° C)
- Congelación (-6° a -49° C)
- Subgelación (-50° a -179° C)
- Criogenización (-180° a -273.16 °C)
Cada una de esas bandas, como decíamos, tienen un sentido definido y pueden ser utilizadas para catalogar capítulos en que se refieran los campos de aplicación de la Frigotécnia en sus varios aspectos, ya que, en cada una de las citadas “bandas” de temperatura se pueden hallar conocimientos específicos tanto de lo frigonómico como de lo frigogenico.
LA ENSEÑANZA DE LA FRIGOTECNIA
Hace mucha falta plantear una enseñanza específica, razonada y razonable de los temas de la Frigotécnia tanto en el uso del frío, la Frigonomía, como en la de la producción de frío, la Frigogenia.
Como colofón de lo anterior hemos de entender que el ámbito de aplicaciones de las tecnologías frigoríficas exige el desarrollo de conocimientos tanto de la técnica térmica específica como el de los factores que intervienen en el proceso o conjunto de procesos con los que se combina en el tratamiento integral del producto. Dicho de otra forma, el ingeniero frigorista debe conocer de los procesos con los que su aplicación se acopla o encadena, y los sucesos de tal índole que por su acción se secuencian.
El estudiante y profesional de la Frigotécnia tiene que conocer sobre las materias, tanto biológicas como químicas y físicas, entre ellas las termodinámicas, que confluyen en dichas aplicaciones, en cada una de las bandas que hemos enunciado anteriormente para entender el sentido del quehacer que se abre con el manejo y relación adecuados de las tecnologías del medio.
Hay varios niveles por definir desde lo técnico a lo académico de nivel superior y se necesita crear un ámbito que marque la diferencia de cada una de las citadas bandas de temperatura, distinguiendo oportunamente el estudio del Aire Acondicionado como un capítulo diferente y diferenciado del de la Frigotécnia general que siempre acepta, además, su típica clasificación en comercial e industrial.
El problema de búsqueda de nuevos refrigerantes, la necesidad del “retrofit”, o conversión a los nuevos refrigerantes y tecnologías, ha mejorado notablemente la atención al respecto en la última década, pero requerimos más esfuerzo académico formalizado.
En lo personal, he estado involucrado tanto en los aspectos de desarrollo de proyectos como en las actividades académicas en el nivel superior, y creo que hay campos ya definidos para nuevos diplomados y postgrados de especialización y maestría en la materia en los países de habla hispana. Lo logremos o no, este trabajo trata de ser una aportación más en aportar motivación en ese sentido.
Haciendo un pequeño resumen de lo que se debe saber para entrar con propiedad al tema, propondría la siguiente formación propedéutica mínima:
Un buen manejo de la geometría analítica y del cálculo matemático hasta el nivel de introducción a las ecuaciones diferenciales de primer orden.
Conocimientos en biología, química orgánica e inorgánica con suficiencia para leer y entender sobre las estructuras en el ámbito molecular, distinguir la caracterización en el ámbito celular y entender los tejidos básicos vegetales y animales y sus procesos bioquímicos básicos.
Conocimientos en física general que permitan un buen tratamiento de los problemas mecánicos, térmicos, eléctricos y fisicoquímicos.
Una buena base de conocimiento de la termodinámica general y aplicada.
Una fundamentada preparación sobre la responsabilidad de administrar el consumo de energía y el compromiso de no impactar, en cualquier sentido negativo, los factores ambientales.
Manejo de computadoras (ordenadores) a nivel de Suites de servicio múltiple y medios de dibujo.
Conocimiento sobre la normatividad en la materia (manejo de alimentos, electricidad…)
Los antecedentes exigibles para leer y entender la serie de trabajos, del cual el presente es la introducción, son menores de los citados para la especialización o maestría en Frigotécnia. Se ha hecho un esfuerzo para combinar en lo posible lo práctico con lo teórico fundamental, para que su lectura ayude a diversos niveles de estudio. Con dichos conocimientos, el candidato a un postgrado en el área de la Frigotécnia, con especialidad en las aplicaciones relacionadas con los alimentos, deberá estudiar el siguiente conjunto de materias, que pueden constituir una primera proposición curricular base para la maestría que estamos proponiendo en esta introducción:
Desarrollo sustentable y protección del ambiente.
Cuidados antes de la cosecha, tratamientos postcosecha, enfriamiento y almacenamiento refrigerado de productos alimenticios de origen vegetal.
Cuidados en vivo, tratamiento postsacrificio, enfriamiento y almacenamiento refrigerado de productos alimenticios de origen animal.
Congelación de productos alimenticios naturales y procesos de industrialización de valor agregado asociados a técnicas de baja temperatura.
Panorama sistemático de aplicaciones de las bajas temperaturas para procesos y almacenamientos diversos.
Cuantificación de la potencia frigorífica requerida
Psicometría y manejo de humedad.
Métodos de producción de frío y selección de refrigerantes y lubricantes. Procesos termodinámicos y ciclos frigoríficos.
Transferencia de calor, masa y momento.
Selección de tuberías y tanques a presión y medios auxiliares en las instalaciones frigoríficas.
Selección y diseño de equipos componentes de sistemas frigoríficos: compresores, condensadores, sistemas de suministro de líquido y evaporadores.
Centralización y asociación de equipos en casos complejos.
Equipamiento eléctrico de fuerza.
Automatización de puntos de control y de proceso.
Producción de hielo.
Aire Acondicionado.
Ciclos frigoríficos especiales y tecnología criogénica.
Normatividad nacional e internacional en la materia.
Construcción de frigoríficos y el problema de aislamiento.
Ingeniería de proyectos y operación de la oficina técnica.
Técnicas de respeto y mantenimiento.
Todo ello tendrá un espacio en los siguientes trabajos de esta serie, aclarando, sin embargo, que trataremos de hacerlos asequibles a los interesados en la Frigotécnia a todos sus niveles.
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