Parámetros para el Acondicionamiento Interno de Alimentos

 

 

Parámetros para el Acondicionamiento Interno de Alimentos

Parámetros para el Acondicionamiento Interno de Alimentos en Cámaras Frigoríficas Los procesos de deterioro de los alimentos dependen en gran parte de la temperatura en que son almacenados. El crecimiento de los microorganismos disminuye a temperaturas bajas, pero debe destacarse que muchos microorganismos no mueren ni a las temperaturas más bajas utilizadas para la conservación en frío, por lo que comienzan de nuevo a multiplicarse en cuanto los alimentos vuelven a alcanzar temperaturas superiores. A fin de retardar lo más posible el proceso de descomposición de los alimentos, se buscan las condiciones de almacenamiento óptimas como son la temperatura, humedad relativa, circulación del aire y composición de la atmósfera de la cámara. Alfredo Álvarez Cárdenas Los procesos de deterioro de los alimentos dependen en gran parte de la temperatura en que son almacenados. El crecimiento de los microorganismos disminuye a temperaturas bajas, pero debe destacarse que muchos microorganismos no mueren ni a las temperaturas más bajas utilizadas para la conservación en frío, por lo que comienzan de nuevo a multiplicarse en cuanto los alimentos vuelven a alcanzar temperaturas superiores. Los procesos que provocan el deterioro de los alimentos son de carácter: • Físico                                      • Químico • Bioquímico                               • Microbiológico Entre los procesos físicos el más destacado es el de la pérdida de peso por evaporación de agua, que además puede provocar pérdidas de componentes volátiles que condicionan en gran medida el aroma y el sabor de los productos. Los procesos químicos que están dados por reacciones como la oxidación de las grasas, provocan rancidez en los productos. La acción de las enzimas son ejemplos de procesos bioquímicos. Una prueba típica es la acción de la enzima polifenoloxidasa, que provoca el oscurecimiento en determinados alimentos. Los procesos microbiológicos están dados por la acción de ciertos microorganismos patógenos que provocan deterioros irreversibles en los productos alimenticios. Para frenar la acción de estos procesos, se buscan condiciones de almacenamiento que retarden el deterioro de los productos, entre ellas se encuentran temperatura, humedad relativa, circulación del aire y composición de la atmósfera de la cámara. De estas, la temperatura constituye el factor de mayor incidencia. A medida que la temperatura disminuye todos los procesos causantes del deterioro se ven disminuidos, lo que trae como consecuencia la prolongación de la vida útil de los productos almacenados. A medida que la humedad relativa aumenta la evaporación de agua disminuye pues el gradiente para la transferencia disminuye; sin embargo, esto beneficia el desarrollo de los microorganismos. La humedad relativa podrá ser más alta en la medida que la temperatura sea más baja. No obstante, esta temperatura de conservación tiene límites basados en la posible influencia sobre el producto, así como en un análisis económico, por lo que ejerce una fuerte influencia sobre la conservación de alimentos almacenados en frío. También el movimiento del aire ejerce influencia sobre la calidad y conservación en la refrigeración, congelación y almacenamiento; y por lo que se refiere a las pérdidas de peso, la evaporación del agua tiene lugar rápidamente con circulación de aire. De igual manera, en el mantenimiento de las condiciones internas tienen gran influencia la intensidad y duración de la rotación de los productos, los cambios de concentración de los compuestos gaseosos al interior, y sobre todo, los criterios de compatibilidad de almacenamiento, que dependiendo de su naturaleza, se pueden aplicar para el manejo interno de diferentes especies o variedad de alimentos. El control de la temperatura es el principal medio para reducir al mínimo la actividad microbiológica Importancia de los sistemas de almacenamiento en frío El Instituto Internacional del Frío (IIF) define como almacén frigorífico a un espacio destinado al almacenamiento de determinados productos (aquellos alimenticios especialmente de carácter perecedero), a regímenes definidos de temperatura e hidrometría, a veces incluso en atmósfera artificial, que no se obtienen en almacenes ordinarios sin aislamiento ni instalaciones frigoríficas. El almacenamiento frigorífico de alimentos, o de otros productos perecederos, tiene las siguientes finalidades: • Reducir al mínimo las pérdidas de estos productos • Preservar su calidad inicial y estado sanitario • Prolongar su período de distribución y consumo sin alteración de su estado inicial (alcanzar mercados más distantes, disponibilidad en cualquier época del año) • En consecuencia, favorecer los intercambios comerciales Contrario de lo que ocurre con la mayor parte de otros procedimientos de conservación, el frío no transforma las sustancias alimenticias, sino que retrasa, de modo más o menos enérgico, los fenómenos biológicos de la degradación y en caso de los productos vivos, las evoluciones fisiológicas que en estos tienen lugar. Si falta la protección frigorífica, las pérdidas por evaporación y por alteración biológica oscilan frecuentemente entre el 20% y el 50% del volumen total inicial, de acuerdo con la naturaleza y la alterabilidad del producto, el tiempo y las condiciones ambientales. Al reducir, de modo espectacular, el ritmo de degradación y desecación de los productos y al preservar su estado sanitario, el frío constituye un medio de aumentar la disponibilidad de alimentos, tanto para el consumo nacional como para la exportación a mercados del exterior. En un almacén frigorífico, considerado como un sistema, existen interacciones simultáneas de fenómenos de transferencia térmica y másica, cuyas intensidades son dependientes de la efectividad en la regulación y control de las condiciones internas del ambiente frío, del manejo manual o mecánico en el acomodo de los productos, de las características constructivas (con énfasis en el material aislante), entre otras. (ver figura 1): Figura 1. Elementos de acondicionamiento, diseño, construcción y utilización de sistemas de almacenamiento en frío. - Entre los fenómenos de transferencia térmica se tienen: flujo de calor del producto hacia el medio frío, flujo de calor del medio frío hacia la superficie del evaporador, flujo de calor a través de las paredes, piso y techo, flujo de calor por apertura de puertas, etc. Ejemplos de transferencia másica son: pérdidas de peso del producto por fenómenos de evaporación o sublimación hacia el aire frío (por inadecuada regulación de la humedad relativa), flujo de vapor de agua a través de las paredes, piso y techo (de ahí la necesidad de colocar pantallas o barreras al vapor de agua) que puede provocar daños irreversibles por condensación y/o congelación de agua en los materiales de construcción, etc. Parámetros de acondicionamiento interno Los principales parámetros de acondicionamiento que influyen en la vida útil de los productos perecederos en los sistemas de almacenamiento en frío son (ver figura 2): Figura 2. Parámetros de acondicionamiento en sistemas de almacenamiento en frío. - 1. La temperatura de almacenamiento o conservación 2. La velocidad y cantidad de aire en movimiento al interior del almacén 3. La humedad relativa del aire frío 4. La forma de acomodo o distribución de los productos al interior (tipo de estiba, uso de convertidores, etc.) 5. La frecuencia de los recambios de aire por aperturas de puertas (rotación de productos) 6. La forma de limpiar o lavar el aire interior para mantener las condiciones gaseosas apropiadas 7. La incompatibilidad de conservación de diferentes especies de alimentos en el mismo espacio frío Temperatura El control de la temperatura es el medio principal para reducir al mínimo la actividad microbiológica o enzimática en alimentos. La temperatura influye de modo diferente sobre cada reacción en particular, de ahí la necesidad de establecer una oportuna escala de valores a adoptar en función de las características propias del producto. En efecto, la selección de la temperatura óptima no puede ser igual para las diferentes especies, así como no puede ser lo mismo para todas las variedades de la misma especie, y en ese ámbito también puede variar en función de diversos factores, siendo el estado de madurez el más apreciable. Para el control de la temperatura óptima de conservación se deben tener en cuenta el efecto de: • La temperatura mínima • La temperatura diferenciada o alternada • La velocidad de disminución de la temperatura Tanto la temperatura del aire como la del producto deben ser reguladas y controladas de forma permanente. Para el control de la temperatura, el elemento sensor del termostato debe ser colocado en algún lugar cerca del centro del almacén o en el trayecto de retorno del aire al evaporador. Es también conveniente mantener una continua revisión del trabajo del evaporador, midiendo regularmente las temperaturas de evaporación y tanto del lado de entrada, como de salida del aire. Velocidad y cantidad de aire en movimiento Estos parámetros tienen una influencia directa en la velocidad de eliminación de la carga térmica y en la rapidez de abatimiento o mantenimiento de la temperatura. Especial importancia tiene el almacenamiento de los productos hortofrutícolas, a causa de su continua producción de calor, de anhídrido carbónico y de vapor de agua, debido a que los fenómenos de respiración y de transpiración provocan continuas modificaciones de las condiciones de temperatura y humedad relativa, y de la composición del gas de la atmósfera en el local donde son conservados. Para mantener estables y uniformes las condiciones del ambiente en cualquier punto del almacén y para sustraer el calor emitido por el producto, es necesaria una activa circulación del aire. La velocidad y la cantidad de aire en movimiento dependen de los siguientes factores: • Cantidad de calor emitido por el producto conservado • Dimensiones internas del almacén • Modalidad o patrón de estibamiento u otra forma de acomodo de producto • Rapidez con la que se desea enfriar el producto • Método de distribución del aire Una decisión importante es definir si dimensionar almacenes de pequeña o gran capacidad. Los almacenes de grandes dimensiones son más económicos, en cuanto son menores los gastos de construcción por unidad de volumen, pero en estos es fácil encontrar una irregular ventilación y temperaturas no uniformes, son difíciles de llenar en breve tiempo y se presentan irregularidades en el acomodo del producto. Por otra parte, los almacenes pequeños resultan poco convenientes sea desde el punto de vista constructivo como administrativo. Además, la forma y dimensiones del frigorífico guarda relación con la velocidad de deshidratación del producto. En proporción con la cantidad de productos que contienen, en un almacén pequeño penetra más calor que en uno grande, porque su volumen aumenta más que el área de su superficie. Por esto es más probable que un almacén grande ofrezca mejores condiciones de almacenamiento que dos pequeñas de la misma capacidad. En la siguiente figura (ver figura 3) se observan ejemplos de distribución de aire en relación al acomodo de productos al interior del almacén frío. Figura 3. Modelos de distribución de aire sobre carne en canal. - Para reducir al mínimo el paso del calor por el aislamiento, la forma ideal sería un cubo, que combina el mayor espacio de almacenamiento con la menor área de superficie. Los productos pueden estibarse hasta alturas mayores de  8m, utilizando montacargas apropiados; los límites a las alturas de los almacenes están determinados por los medios de manejo interno del producto (rotación de productos) y por la utilización de envases, embalajes, tarimas, etc. Hay que tener en cuenta, por otra parte, que la altura de un almacén es igual a la altura de la estiba de los productos más una distancia libre de 0.8 a 1.2 m. Este espacio libre es indispensable para una buena circulación y distribución del aire en la parte superior de las estibas. La longitud y el ancho del almacén estarán en función de las condiciones de explotación prevista y del tipo de equipo de enfriamiento interno que se adopten. Para mantener una óptima circulación del aire con la consecuente uniformidad de las condiciones internas y, para facilitar el dimensionamiento interno de los almacenes, normalmente se deberán tomar en cuenta los siguientes espacios libres: • Entre pared y estiba: de 0.20 a 0.40 m. • Entre estiba y estiba: de 0.10 a 0.20 m. • Pasillo interno: depende del modo de manejo interno de productos. En relación al método de distribución de aire, se recomiendan las siguientes condiciones operativas: a. Cámaras pequeñas y medianas: • Distribución por DIFUSIÓN • Velocidad del aire: 1-2 m/s • Masa de aire equivalente a 10 veces el volumen de la cámara por hora. b. Cámaras grandes: • Distribución por CANALIZACIÓN • Velocidad del aire: 2-4 m/s • Masa de aire equivalente a 15-20 veces el volumen de la cámara por hora. Se pueden reducir los intercambios de calor por convección mediante el uso de una cortina de tiras anchas de plástico flexible y gruesa Grado higrométrico El control del grado higrométrico de un almacén frigorífico es un problema de muy particular importancia por los efectos técnicos y económicos que implica, pero en la mayoría de los casos, ese control es descuidado por los técnicos tal vez por un motivo doble: porque resulta complejo realizar el control de las instalaciones o porque ignoran la importancia y los efectos negativos sobre el producto conservado. La humedad relativa es inversamente proporcional a la temperatura, pues disminuyendo la temperatura aumenta la humedad relativa y se puede alcanzar el punto de saturación o de rocío (condensación del vapor de agua), por ello basta un punto cualquiera del ambiente que tenga una temperatura suficientemente baja para provocar el fenómeno de condensación. En un almacén frigorífico el evaporador representa el punto frío. Durante el almacenamiento, la húmeda relativa debe ser considerada en relación a la naturaleza del producto. Con la condensación de vapor de agua en el evaporador se provoca un desequilibrio entre las presiones de vapor del aire frío y la presión de vapor del producto, siendo éste último el que cede vapor de agua para alcanzar de nuevo el punto de equilibrio, se efectúa el fenómeno de pérdida de peso por evaporación o sublimación. Las pérdidas de peso en los productos alimenticios perecederos se deben a  factores como los: • Físicos: por variaciones en temperatura, humedad relativa y circulación de aire, en forma individual o conjunta. • Fisiológicos, en el caso de frutas y hortalizas, por respiración y por transpiración. Para evitar o reducir al mínimo los efectos anteriores, la regulación del grado higrométrico se puede efectuar por dos métodos: 1. Por regulación directa utilizando humidificadores. 2. Por regulación indirecta, considerando la diferencia de temperaturas entre la de evaporación y la de almacenamiento. Para la obtención de una alta humedad relativa en un almacén frigorífico, la temperatura de evaporación del refrigerante deberá estar los más cercana posible a la temperatura del aire del almacén, pues entre mayor sea la diferencia de temperaturas entre aire y evaporación, el aire perderá humedad y la hr descenderá. Este efecto se muestra en la siguiente tabla: Tabla 1. Relación entre la Temperatura del Evaporador, Temperatura de la Cámara y Humedad Relativa T. evap. ºC T. Cámara ºC -1 0 +1 HR (%) -5 72 66 61 -4 78 72 67 -3 85 78 73 -2 92 85 79 -1 100 92 86 0 100 93 - Acomodo interno de productos La forma de acomodo de productos al interior de la cámara es uno de los aspectos más importantes al momento de manipular cualquier producto envasado o embalado. De manera que la altura de acomodo o estibamiento se define por el límite de carga, dependiendo de las siguientes consideraciones: • Resistencia de los embalajes. Hay que señalar que los productos refrigerados son más frágiles que los congelados; si los embalajes van sobre tarimas, la altura máxima de la tarima cargada no ha de ser superior a 1.70 m, si hay peligro de aplastamiento, las tarimas van provistas de convertidores (armazones metálicos que pueden quitarse, situados alrededor de la carga y que transmiten la presión de las tarimas superiores a las inferiores) • Modo de manejo. Si es manual, la carga y descarga resultan tanto más lentas y peligrosas para el personal cuanto más altas sean las estibas, la altura máxima suele limitarse a unos 2.5 m; en cambio, si es mecánica (montacargas) las operaciones resultan mucho más rápidas y la altura que pueden alcanzar las estibas viene a ser la del límite de carga del montacargas. • Del régimen térmico estable (modo de conservación). En los productos refrigerados habrá que dejar suficiente espacio para la circulación de aire, en cambio, para los productos congelados la estiba puede ser más compacta. • Del régimen de enfriamiento o congelación. • De la utilización de grandes estructuras metálicas “racks”. Para mantener estables y uniformes las condiciones del ambiente en cualquier punto del almacén es necesaria una activa circulación del aire Cambios de aire por apertura de puertas Es frecuente dejar la puerta abierta durante las operaciones de entrada y salida de productos. Hay que tener presente, sin embargo, que el intercambio de calor por convección aumenta con la duración de la apertura, de las dimensiones de la puerta, del volumen interno, de la diferencia de temperatura exterior e interior, etc., lo cual ocasiona un aumento adicional de la carga térmica que difícilmente podrá ser compensado por el equipo de producción de frío, aún en funcionamiento continuo, y por consecuencia se provoca una elevación incontrolable de la temperatura de almacenamiento. Se pueden reducir los intercambios de calor por convección mediante el uso de una cortina de tiras anchas de plástico flexible y grueso, colocada por el lado interior, que cubra el vano de la ­puerta; también colocando en la parte externa de la puerta, una cortina de aire descendente. En la práctica conviene: • Organizar el manejo de productos de tal manera que las entradas y salidas se hagan por partidas importantes • Informar claramente a los manipuladores de la necesidad de cerrar las puertas, incluso para períodos cortos • Revisar las juntas de la puerta y los burletes del umbral • Cambiar las tiras de la cortina tan pronto como estén rasgadas • Procurar que la resistencia del mecanismo de calentamiento de la junta de la puerta esté continuamente en servicio (sólo en congelación) • Nunca retrasar las operaciones de mantenimiento. Influencia de compuestos gaseosos sobre la conservación Los compuestos gaseosos que tienen influencia negativa en la conservación de productos hortofrutícolas a bajas temperaturas son, entre otros: • Anhídrido carbónico (combinado con la baja concentración de oxígeno, modifica la atmósfera interna) • Vapor de agua (pérdida de peso en el propio producto y el exceso en el aire favorece el desarrollo de microorganismos) • Compuestos volátiles: etileno (acelera la maduración) • Compuestos olorosos: aromas (tiene influencia en la maduración del fruto y en la aparición de alteraciones fisiológicas) El grado de concentración de estos compuestos en la atmósfera puede regularse mediante recambios y lavados del aire interno. También la presencia de estos compuestos sugiere alternativas o posibilidades de almacenar diferentes especies en el mismo ambiente, y qué inconveniente podría provocar tal mezcla de especies (ver figura 2). Figura 2. Compatibilidad en el almacenamiento de frutas y hortalizas a bajas temperaturas E J E M P L O S Grupo 1: T 0 A 20c, Hr 90-95% Chabacano, ciruela, cocos, Durazno, manzanas, peras, uvas. Algunos son productores de etileno Grupo 2: T 0 A 20c, Hr 95-100% Alcachofa, apio, chicharos, coliflor, espinaca, elote, zanahorias Algunos productos son sensibles al etileno Grupo 3: T 0 A 20c, Hr 65 A 75% Ajos y cebollas Otras Clasificaciones: Susceptibles a la congelación Susceptibles a la pérdida de humedad Productores o sensibles al etileno Producen o absorben olores En todos los alimentos perecederos habrá que analizar la compatibilidad entre temperatura, humedad relativa, olores, atmósfera especial. A continuación se ejemplifican algunos casos de compatibilidad de almacenar diferentes especies de alimentos en el mismo espacio frío (ver figura 3). Figura 3. Ejemplos de Compatibilidad de algunos productos Sin Riesgo de Contaminación Bovino-cordero Cerdo-huevo Lagosta-pescado Uva-hortalizas Manzana-naranja Ligero Riesgo de Contaminación Bovino-langosta Huevo-hortaliza Pescado-manzana Queso-uva Pescado-huevo Nunca Juntos Manzana-bovino Naranja-cerdo Huevo-queso Pescado-queso Col-mantequilla Huevo-naranja Papa-langosta Con todos estos elementos podemos resumir que los procesos de deterioro de los alimentos dependen en gran medida de la temperatura en que son almacenados. El crecimiento de los microorganismos disminuye a temperaturas bajas. Debe destacarse, sin embargo, que muchos microorganismos no mueren ni a las temperaturas más bajas utilizadas prácticamente para la conservación en frío, por lo que comienzan de nuevo a multiplicarse en cuanto los alimentos vuelven a alcanzar temperaturas superiores. La humedad relativa ejerce una fuerte influencia sobre la conservación de alimentos almacenados en frío. La pérdida de peso por evaporación disminuye con humedad relativa creciente del aire de almacenamiento, siendo proporcional a la diferencia entre las presiones parciales de vapor de agua en el aire y en la superficie del producto almacenado. Las pérdidas de peso pueden disminuirse sustancialmente envasando los productos. Por otra parte, humedades relativas altas favorecen la multiplicación de microorganismos, especialmente a temperaturas altas de almacenamiento. También el movimiento del aire ejerce influencia sobre la calidad y conservación en la refrigeración, congelación y almacenamiento. Por lo que se refiere a las pérdidas de peso, la evaporación del agua tiene lugar rápidamente con circulación de aire. De igual manera, en el mantenimiento de las condiciones internas tienen una gran influencia la intensidad y duración de la rotación de productos, los cambios en la concentración de los compuestos gaseosos al interior y sobre todo, los criterios compatibilidad de almacenamiento, que dependiendo de su naturaleza, se pueden aplicar para el manejo interno de diferentes especies o variedades de alimentos. REGISTRATE EN FOROFRIO

Almacenamiento y refrigeración de frutas

 

 

Almacenamiento y refrigeración de frutas

Almacenamiento y refrigeración de frutas


Hoy en día nuestro ritmo de vida, las necesidades de alimentos y su suministro hacen de la maduración de las frutas una necesidad para satisfacer al cliente. Para lograrlo, el uso de procesos de refrigeración y mezcla de gases es de vital importancia.
Al entrar a un centro comercial donde venden frutas y verduras automáticamente buscamos aquellas con mejor punto de maduración o que están cercanas a esta condición. Sin embargo, no siempre consideramos todo el proceso y tecnología que implica poder obtener productos en su punto.
El Etileno es un gas no tóxico, altamente inflamable, incoloro y con característico olor y sabor dulce, es también, una hormona natural de las plantas, la cual cumple activamente con el crecimiento, desarrollo, maduración y envejecimiento de las mismas y a su vez, es muy importante para la maduración de algunos frutos como plátanos, tomates, papayas, melones, piñas y cítricos. A pesar de ello, puede también resultar muy dañino ya que acelera de forma inmediata el proceso de envejecimiento, disminuyendo así la calidad del producto y por tanto su vida de anaquel. Es importante conocer en primer lugar la naturaleza del fruto para considerar su contenido de Etileno, su ruta metabólica, cómo se sintetiza y dónde actúa.
Proceso de maduración: La maduración de frutas se liga a complejos procesos de transformación de sus componentes. Al ser recolectadas, éstas quedan separadas de su fuente natural de nutrientes, pero sus tejidos continúan respirando y siguen activos. Azúcares y otros componentes sufren importantes modificaciones, formándose anhídrido carbónico (CO₂) y agua. Estos procesos tienen gran importancia pues influyen en cambios producidos durante el almacenamiento, transporte y comercialización. Los fenómenos especialmente destacados durante la maduración son la respiración, el endulzamiento, ablandamiento, cambios en aroma, coloración y valor nutricional.
Respiración: La intensidad de respiración de un fruto depende de su grado de desarrollo. Se mide como la cantidad de CO₂ (mg) desprendida de cada kilogramo de fruta por hora.
Existen frutas en las que después de alcanzarse la mínima maduración de nuevo aumenta la intensidad respiratoria hasta alcanzar un valor máximo, llamado pico climatérico; estas frutas se llaman “frutas climatéricas”.
Durante se respiración se produce el Etileno, si este compuesto gaseoso, producido por una fruta madura, se acumula cerca de frutas no maduras, desencadenará rápidamente su maduración y por ende el deterioro de todas las demás.
Sabor: Al comenzar la maduración aumenta el contenido de hidratos de carbono y el dulzor típico de las frutas maduras. Los ácidos disminuyen y desaparece el sabor agrio, para dar lugar a uno suave.
Ablandamiento: La protopectina atrapa agua formando una especie de malla, que proporciona a la fruta no madura su particular textura. Con la maduración, ésta sustancia disminuye transformándose en pectina soluble, que queda disuelta en el agua que contiene, produciéndose ablandamiento.
Cambios en aroma: La formación de dichos aromas depende en gran medida de factores externos, como temperatura y variaciones a lo largo del día.
Cambios en color: Habitualmente la transición va de verde a otro color cuando la clorofila se descompone dejando ver colorantes antes enmascarados. Además aumenta la producción de colorantes rojos y amarillos típicos de frutas maduras. En algunos casos la variación de color además indica cambios químicos como en el mango por aumento de contenido de carotenos, mientras que colorantes como antocianinas, se activan la luz.
Valor nutritivo: En general, las frutas pierden vitamina C cuando maduran en el árbol y durante el almacenamiento; en este caso, la pérdida depende en gran medida de la temperatura, siendo mucho menor mientras es más cercana a 0°C.Otros elementos como la provitamina A son sensibles al contacto con el oxígeno del aire, por lo que el pelado, troceado y batido de frutas, debe realizarse justo antes de su consumo.
En algunas ocasiones, se promueve el proceso de maduración aplicado Etileno externamente antes de que la concentración interna natural alcance de 0.1 a 1.0PPM. Esto no quiere decir que sea un proceso artificial, simplemente se acelera el proceso normal.
¿Cómo saber qué tipo de fruta voy a manejar para óptimos resultados?
Siempre es necesario conocer los productos con que se va a trabajar ya que durante su manejo, conserva y refrigeración, algunas características específicas de estos requieren cuidados especiales relacionados a temperatura, humedad relativa, etc. En el caso de las frutas se necesita que los proveedores de servicios de refrigeración y acondicionamiento de ambientes conozcan las variedades de frutas y para efectos de este texto existen dos grandes grupos: climatéricas y no climatéricas.
Los frutos climatéricos, como el tomate, son inicialmente verdes y cambian a tonos característicos de su variedad conforme la clorofila disminuye mientras maduran. En la respiración disminuye el oxigeno (O₂) y aumenta el dióxido de carbono (CO₂) y etileno, almidón, sólidos solubles y ácido ascórbico.
Otro fruto de este tipo es el plátano, en el que al disminuir la clorofila aumentan carotenos y xantofilas. La cantidad de materia seca, almidón y hemicelulosa disminuye y da lugar a mayor contenido en azúcares. A medida que aumenta la maduración, el plátano transpira como otros frutos climatéricos, por eso es importante la atmósfera donde esté, ya que el O₂ disminuye y aumenta el CO₂.
Si este tipo de frutas se deja en árboles madura más lentamente que al recolectarse (por una sustancia existente en las ramas). Un estudio en aguacates demostró que en el árbol tardan meses en madurar, mientras que al recolectarlos este proceso toma entre 3 y 4 semanas, además al madurar aumenta su intensidad respiratoria y de ésta depende su periodo de almacenamiento.
Por otra parte, los frutos no climatéricos, como hortalizas en general, fresas y cítricos, no producen auto-catalizadores como Etileno, que toman del ambiente. Mientras este elemento esté en el ambiente la maduración continuará, de lo contrario la intensidad respiratoria disminuye y la maduración permanece estática. Por ejemplo, si al pimiento verde en la planta se le aplica Etileno éste madura poniéndose rojo, pero si está fuera de la planta seguirá verde, modificándose sólo en caso de previamente estar algo rojizo. Esto es motivo de que algunos productos maduren en el árbol o planta y otros no; por ejemplo, si cortamos melones antes de su maduración nunca van a madurar sin importar la cantidad de Etileno aplicado.
Frutas y hortalizas respiran estando en la planta al cortarse, tomando O₂ y desprendiendo CO₂; además de transpirar (perder humedad). La diferencia entre ambos estados es que unidas a la planta se mantiene el flujo de savia y otros nutrientes que compensan pérdidas por respiración, mientras que al separarse de la planta, el producto debe mantenerse con sus reservas, en condiciones adecuadas pierden propiedades. Es aquí donde las condiciones logradas por comerciantes y proveedores toman mayor importancia para que los vegetales lleguen al consumidor en óptimas condiciones.
¿Cómo afecta la temperatura  a la actividad enzimática?
Generalmente, a 30°C empieza la disminución de actividad enzimática, a 35°C disminuye aún más y a 40°C se detiene. Si mantenemos 30°C prolongadamente, no se dará maduración normal, siendo ésta irregular.
El límite inferior para inactividad enzimática está entre 0°C y 2°C, pero a esta temperatura se congela el agua del producto dándose expansión de esta que afecta las células del tejido. Al descongelarse el tejido no reabsorbe el agua porque las células se dañan y con ello la textura se modifica. Entonces, temperatura elevada o muy baja no es conveniente, lo ideal es mantenerse un poco por encima de la temperatura de congelación del fruto, para poder almacenar más tiempo y prolongar la vida útil.
Cuando se tienen frutos no climatéricos el frío retrasa el deterioro y en los sí climatéricos se retrasa el comienzo de la maduración, y si se mantienen a temperatura baja durante mucho tiempo hay que aplicar Etileno (durante más tiempo) para que maduren. El rango óptimo para la maduración organoléptica está entre 10°C y 30°C, siendo el óptimo 20°C. Hay beneficio cuando se baja la temperatura, pero se deben tener en cuenta factores como la maduración, vida de almacenamiento, daños por frío, etc.
Las frutas climatéricas como plátanos, aguacates y mangos, deben cosecharse inmaduras cuando se exportan a mercados distantes y se deben embarcar cuando todavía están duras y verdes, a fin de reducir el daño y las pérdidas durante el viaje y la manipulación.
Condiciones de almacenamiento

Humedad relativa
Humedad relativa baja: implica una deshidratación del producto, marchitamiento, pérdida de peso, etc.	Humedad relativa alta: implica el desarrollo de microorganismos y podredumbre.

Esta variable es importante en términos de frescura; permite que la fruta tenga mejor apariencia o promueve formación de moho u otras características poco deseables.
Cuando no se tiene un control adecuado o equilibrado de la humedad relativa ésta puede inclinarse a dos partes: baja, que implica deshidratación del producto, marchitamiento y pérdida de peso, entre otras; o alta, cuya tendencia es permitir y/o promover el desarrollo de microorganismos y podredumbre.
Por eso, es importante jugar con la humedad relativa alta o baja; las más recomendadas están entre 85% y 95%, pero siempre se debe tener en cuenta si el producto la admite o no. Hay excepciones que deben de tener una humedad relativa mayor a 95% como los frutos secos, bulbos, lechuga, apio, etc.
Renovación de aire
El aire es el medio que ayuda a eliminar el calor contenido en el ambiente de conserva. Para que la temperatura sea uniforme debe existir flujo constante de aire, sin que en caso de velocidad elevada del mismo, esto pueda afectar la calidad de los frutos.
En casos donde dicho flujo tiene mayor velocidad a la necesaria, afecta al producto con pérdida de agua y por ende de peso. Entonces, el ciudado en control de flujos de aire refrescante forzosamente debe nivelarse para evitar quemar o deshidratar el producto. Se recomiendan flujos de 17.66 CFM (30 m³/h).
Aunado a lo anterior, idealmente el aire utilizado debe estar libre de agentes que puedan resultar perjudiciales para la calidad de las frutas, punto donde el filtrado y control del aire deben cuidarse.
Maduración, almacenamiento y refrigeración del plátano
El plátano es un producto climatérico, continúa madurando una vez que se ha cosechado, pero el fruto debe recolectarse cuando está fisiológicamente maduro (verde). Su forma, tamaño y color, dependen de la variedad cultivada.
Para su conserva, las bodegas de almacenamiento deben enfriarse previamente a la entrada del producto, cuya temperatura debe bajar hasta 13°C tan pronto como sea posible.
La fruta verde-madura puede conservarse de una a cuatro semanas; dependiendo de las condiciones de manejo y estado de madurez de la misma. Una vez maduro, el plátano tiene vida de anaquel satisfactoria más allá de dos a cuatro días, dependiendo de la temperatura ambiental. Asimismo, debe permanecer almacenado a 14°C, con humedad relativa de 90% al 95% para el plátano verde-maduro y de 85% si está maduro. Temperaturas del orden de 11°C a 12°C le producirán daños por enfriamiento. La fruta verde-madura es ligeramente más sensible al frío que la madura. Unas pocas horas de exposición a 10°C puede resultar en el opacamiento del color de la cáscara; en tanto son suficientes 12 horas a 7°C para afectar la calidad de consumo de esta fruta.
El proceso de maduración puede ser inducido y acelerado mediante la aplicación externa de Etileno en cámaras especiales de maduración. El proceso dura alrededor de 24 horas con el debido control de temperatura y humedad relativa. En este caso, se recomienda mantener la temperatura entre 14°C y 18°C.
Durante el proceso de maduración la temperatura de pulpa nunca debe estar por encima de 19°C, pues se produce un daño conocido como “cocinado o cooked”, efecto que resulta en frutas con pulpas enblandecidas.
La humedad relativa ambiente, debe mantenerse en el orden de 95% a 98% por debajo de éstas, las frutas tienen más sensibilidad al manchado con simples roces, desmejorando la calidad y la presentación del producto.
Maduración, almacenamiento y refrigeración de tomates
La temperatura apropiada, humedad, circulación del aire, ventilación y Etileno son requeridos para que se dé una maduración adecuada.
La temperatura media para maduración es de 64°F a 70°F (18°C a 21°C). La humedad para la maduración y almacenamiento es de 85% a 95% RH (90% ideal). La circulación del aire debe ser suficiente para proporcionar una temperatura homogénea en todo el cuarto de maduración y para la ventilación es necesario utilizar un flujo a través del cuarto de 10 a 20 minutos cada 12 horas.
Se recomienda madurar los tomates lo antes posible, evite “aguantar” y retrasar la maduración. Los tomates responderán mejor y se maduran de una manera homogénea cuando se utiliza Etileno externo después de la cosecha. Como media, la maduración de frutas es entre 18.0°C y 21.0°C. Pueden ser almacenados por más de dos semanas a 12.5°C hasta que estén completamente rojos.
Una de las causas de la pérdida de gusto de los tomates es el frío. Si la temperatura de la pulpa del tomate está fuera del margen apropiado, puede producirse daño interno visible en la apariencia del tomate y declive en su sabor. Entonces, es crucial asegurarse que la temperatura de la pulpa esté siempre por encima de 12.5°C durante todos los pasos de la maduración. Al enviar cargas mezcladas a temperatura menor, se debe utilizar alguna forma de protección, como una cubierta de plástico o con aislamiento para mantener la temperatura de la fruta.
Maduración, almacenamiento y refrigeración de la papaya
Para entregar este fruto en su óptima calidad, se recomienda que recién empacada y pre-refrigerada se almacene entre 9°C y 10°C, a esta temperatura, la papaya tiene un proceso de maduración muy lento. El transporte debe estar a esta temperatura ya sea usando un remolque, contenedor o celda de buque refrigerada. Cuando la papaya haya llegado a su destino, la temperatura puede aumentarse para acelerar su maduración. Si la temperatura es menor a 18°C, el cambio de color y la maduración son relativamente lentos.
El almacenaje y el manejo de la fruta, no debe bajar a más de 10°C para evitar quemaduras y falta de consistencia una vez madura al 100% de coloración. Evite cambios abruptos y largos de temperatura ya que esto resulta en fruta dura.
Un cuarto de almacenaje cerrado es ideal para controlar la temperatura y en consecuencia el proceso de maduración. La humedad relativa ideal para conserva de papayas conservar está entre 80% y 95% para evitar la deshidratación de la fruta, ya que en caso de secarse luce arrugada y vieja. Cuando está entre el principio y la primera mitad de su maduración, debe almacenarse a 26˚C entre 40 y 60 horas.
Para alcanzar un nivel de madurez de 75% en general, una temperatura uniforme y controlada es esencial para asegurar maduración gradual y controlada, mientras la fruta está en almacenaje y garantizar máxima calidad del producto. Por ejemplo, si se guarda a 10°C pueden tenerse hasta tres semanas de vida en estante, pero si la temperatura sube a 24°C, podrá conservarse hasta 5 días.
Recuerde que la papaya es como un melón, esta lista para comer cuando está mitad amarilla. No permita que la fruta se madure demasiado porque esto disminuye su duración de vida y sabor.
Otro punto a considerar es que la papaya produce Etileno y su sensibilidad es alta, así que debe tenerse cuidado con el almacenamiento mixto (con otras frutas).
La conservación de la papaya una vez partida, radica en guardarla en un contenedor con tapa (de vidrio o plástico) en el refrigerador entre 5˚C y 6˚C. El sabor y constitución de esta fruta, durará aproximadamente 6 días, posteriormente su sabor mermará y la textura irá cambiando hasta corrugarse.
Maduración, almacenamiento y refrigeración del melón
Los melones Cantaloupe se cosechan por madurez, no por tamaño. Su madurez comercial se identifica cuando al cortar la fruta suavemente, ésta se desprende de la planta. Estos melones maduran luego de la cosecha, pero su contenido de azúcar no aumenta. El color de su piel es típicamente de gris a verde opaco cuando el fruto no tiene madurez comercial, verde oscuro uniforme en madurez comercial y amarillo claro en plena madurez de consumo, momento en que otra característica es la presencia de una red bien formada y realzada en la superficie de la fruta.
A temperaturas entre 2.2°C y 5.0°C la vida de almacenamiento es de hasta 21 días, aunque su calidad sensorial puede reducirse. Generalmente, pueden pasar de 12 a 15 días como vida post-cosecha normal dentro del intervalo óptimo de temperatura. En ocasiones, durante el almacenamiento a corto plazo o en el transporte, se aplican temperaturas menores que fuera de este rango se puede dar origen a daños por frío.
Las humedades altas de 90% a 95% son esenciales, maximizan la calidad post-cosecha y previenen de desecación. La pérdida de agua puede ser significativa a través de en áreas dañadas o maltratadas del fruto. Periodos prolongados en humedades superiores al rango óptimo o la condensación puede estimular el crecimiento de moho en la superficie.
Este tipo de melón es moderadamente sensible al Etileno ambiental y la sobremaduración puede ser un problema durante su distribución y almacenamiento a corto plazo.
Los melones Honeydew tampoco se cosechan por tamaño. Su madurez es difícil de juzgar ya que no presentan un proceso de abscisión claro (desprendimiento de la fruta de la planta). Los grados de madurez se agrupan según cambia el color de “fondo” (color general de la piel o cáscara, no sus tintes verdosos o amarillentos) de la fruta, que pasa de verdoso a crema con tientes amarillos.
Se prefieren temperaturas entre 7°C y 10°C, con humedad de 85% a 90%. La vida de almacenamiento está entre 12 y 15 días a 7°C pudiéndose extender hasta 21 días. Si los melones tienen madurez de consumo o se maduran con Etileno a 100 PPM durante 24 horas, las recomendaciones comerciales para el embarque o almacenamiento a corto plazo va de 2.2°C a 5°C, ya que periodos mayores resultan en daños al producto.
La aplicación de Etileno de 100 PPM a 150 PPM por 18 a 24 horas a 20°C será utilizado para inducir la maduración de consumo de los melones Honeydew fisiológicamente maduros. Las frutas inmaduras fisiológicamente no se ablandan ni desarrollan una calidad sensorial característica incluso al aplicar tratamiento de Etileno.
Maduración, almacenamiento y refrigeración de la piña
Para la cosecha, las piñas deben haber alcanzado su madurez de consumo con el máximo contenido de azúcar y aroma típico de la especie. Es importante que quien determina el momento de la cosecha, conozca los criterios de madurez a aplicar ya que, la piña es no climatérica y por tanto si se cosecha inmadura, su presentación y sabor no mejoran trás la cosecha.
Para enfriar piñas, se recomiendan sistemas de aire forzado que permitan bajar rápidamente la temperatura, eliminando el calor que trae de campo. El enfriamiento rápido evita pérdida de peso y marchitez. Se debe tener especial cuidado con el control de temperatura que no debe ser menor a 10°C; ya que como otras frutas tropicales, ésta es muy susceptible a daño por frío. Puede soportar temperaturas menores a 10°C por periodos cortos dependiendo de su grado de madurez, pues entre menos maduras, son más susceptibles. El daño inicia a 6°C y se manifiesta con manchas cafés en la superficie y corona del fruto. Parte de la pulpa también se torna café, adquiriendo aroma y sabor desagradables, cabe mencionar que a 7°C la piña durará varios días.
En muchas partes del mundo, la piña se come de distintas formas, unas de las más comunes es trozada, pero, ¿qué pasa cuando sobran?
Una vez trozada la piña, para conservarla se debe pelar, cortar, introducir en bolsas de plástico y congelarse directamente. Aproximadamente 10 horas antes de consumirse, se deja descongelar, y así, la piña conserva sus propiedades nutritivas (entre ellas su contenido en fibra y vitamina C), y su delicado sabor dulce, además de permitir aprovechar al máximo esta fruta.
Maduración, almacenamiento y refrigeración de los cítricos
Los cítricos son frutos no climatéricos; si  se cortan inmaduros su sabor y dulzor no mejorarán, esto es porque no continuarán madurando después de la cosecha, por lo que no deben recolectarse verdes. Es muy importante cosecharlos cuando fisiológicamente ya estén maduros, es decir, cuando ya han alcanzado su máximo desarrollo y buena relación entre la concentración de azúcares y acidez. Por lo general, un cambio de color de la cáscara puede ser buen indicador de madurez. La fruta está madura, cuando el color de la cáscara pasa de verde oscuro a claro, amarillento o anaranjado, dependiendo de la variedad, sin embargo, no es muy confiable cuando las diferencias de temperaturas entre el día y noche no son muy marcadas como en regiones tropicales donde por ejemplo, las naranjas no desarrollan su color anaranjado característico. Por otro lado, cuando las diferencias de temperaturas son muy grandes, el cambio de color se presenta antes de que la fruta madure fisiológicamente, lo que puede conducir a cosechar frutas completamente coloridas pero inmaduras fisiológicamente. Cuando el cambio de color no es confiable, se recomienda usar como indicador de madurez el porcentaje de jugo, grados Brix y relación sólidos totales/acidez.
En centros de acondicionamiento y empaque la fruta se lava, cepilla, desinfecta, encera, selecciona, clasifica y empaca, y cuando es necesario se desverdiza para darle mejor presentación.
Cuando las frutas van a ser sometidas a tratamientos de desverdización refrigeradas por periodos más o menos largo o cuando permanecen más de 24 horas antes de su selección y empaque, se recomienda pre-tratarlas con fungicidas para prevenir su infección. Este tratamiento debe realizarse antes de 48 horas.
La desverdización normalmente se aplica a cítricos, principalmente naranjas y mandarinas cuando a pesar de haber alcanzado la madurez exigida por el comercio, su color permanece parcial o totalmente verde lo que es poco atractivo en ciertos mercados. El tratamiento consiste en someter a la fruta a un flujo de Etileno de 2 a 5 PPM en cámaras desverdizadoras, entre 20°C y 22°C con humedades de 90% a 95% y velocidad de aire de 14 a 20 m/minuto. El contenido de CO₂ no debe exceder 0.2%. Es necesario evitar que los frutos permanezcan más tiempo del necesario en la cámara, pues el Etileno acelera el envejecimiento y esto limita la vida comercial de los frutos. Después de la desverdización, se recomienda dejar reposar la fruta mínimo 12 horas antes de pasarla a la línea de selección y empaque.
Dependiendo del mercado de destino, los cítricos pueden almacenarse por corto tiempo a temperatura ambiente y para periodos de almacenamiento mayores deben almacenarse  en refrigeración. La fruta empacada puede almacenarse varias semanas o meses a temperaturas de 3°C a 8°C, sin embargo, las toronjas deben mantenerse entre 10°C a 15°C para evitar daño por frío con humedad relativa de 85% a 90%.Temperaturas cercanas a 0°C producen daños a la mayoría de los cítricos.

TABLA NO. 1 GUIA DE TEMPERATURAS Y HUMEDADES RECOMENDADAS PARA EL ALMACENAMIENTO DE ALGUNAS FRUTAS   Y CITRICOS (Temperaturas en °C)
Producto	Temperatura (°C)	Humedad Relativa (%)	Vida Aproximada de almacenamiento
Guayaba	8 a 10	90	2 a 3 meses
Lima	8.5 a 10	85 – 90	1 a 4 meses
Limón verde en general	10 a 14	85 – 90	2 a 3 semanas
Limón coloreado en general	0 a 4.5	85 – 90	2 a 6 meses
Limón verde Europeo	11 a 14	85 – 90	1 a 4 meses
Limón Europeo amarillo	0 a 10	85 – 90	3 a 6 semanas
Limón Mexicano	8 a 10	85 – 90	3 a 8 semanas
Mango	7 a 12	90	3 a 6 semanas
Mandarina	4	90 – 95	2 a 4 semanas
Melón	7 a 10	85 – 90	3 a 7 semanas
Naranja	3 a 9	85 – 90	3 a 12 semanas
Aguacate	7 a 12	85 – 90	1 a 2 semanas
Papaya	7 a 13	85 – 90	1 a 3 semanas
Piña verde	10 a 13	85 – 90	2 a 4 semanas
Piña madura	7 a 8	85 – 90	2 a 4 semanas
Plátano coloreado	13 a 16	85 – 90	20 días
Plátano verde	12 a 13	85 – 90	1 a 4 semanas
Sandía	5 a 10	85 – 90	2 a 3 semanas
Toronja	10 a 15	85 – 90	6 a 8 semanas
Uva	- 1 a 0	90 – 95	1 a 4 meses

Enfriamiento Radiante: el Confort del Frío

 

 

Enfriamiento Radiante: el Confort del Frío

Enfriamiento Radiante: el Confort del Frío Enfriar espacios mediante sistemas hidrónicos se presenta como una oportunidad para espacios residenciales y comerciales pequeños con interesantes ahorros energéticos y generación de condiciones óptimas para los usuarios. Tradicionalmente, los sistemas radiantes han sido utilizados para calefacción al circular un fluido caliente a través de tubería de PEX (polietileno entrecruzado) o cobre puesta dentro del piso, en paredes o techos. Esta energía viaja a través de la superficie sin calentar el espacio en sí mismo, sino que nivela la temperatura de objetos u otros elementos que están más fríos al entrar en contacto suyo. El enfriamiento radiante tiene el mismo principio, excepto que se usa un fluido frío mediante circuitos de tubería o tapetes de tubería capilar colocados normalmente en paredes y techos. Estos elementos absorben entonces la energía radiante de las personas y sus alrededores disminuyendo con esto la temperatura del espacio de manera uniforme. Diferencia entre sistemas hidrónicos y de aire La mayor diferencia entre un techo de enfriamiento radiante y un sistema de enfriamiento por aire es la energía utilizada para transportar el frio. El enfriamiento por aire usa sólo convección, mientras que los techos radiantes usan una combinación entre radiación y convección. Esta cantidad de transferencia de temperatura radiada puede ser de 55% y la convección usa el porcentaje restante. Con techos radiantes, la transferencia térmica ocurre a través de una red emisora de ondas provenientes de los usuarios que desprenden calor y sus alrededores hacia un techo frío. Por otra parte la convección primeramente enfría la habitación por el contacto con el techo frío, creando corrientes convectivas en el espacio que transfieren el calor de su fuente hacia el techo donde es absorbido. Tradicionalmente, los sistemas HVAC están diseñados para trabajar todo el tiempo con aire. A su vez los sistemas hidrónicos tienen una parte de aire y otra de agua que separa las tareas de ventilación y acondicionamiento térmico en espacios al utilizar la distribución primaria aérea para cumplir con los requerimientos de ventilación, y el sistema secundario de distribución hidráulica para acondicionar la temperatura del espacio. Estos sistemas reducen la cantidad de aire transportado en construcciones significativamente porque la ventilación es provista por sistemas de aire exterior sin afectar la fracción de aire recirculante. La radiación provee la mayor parte del enfriamiento, usando al agua como medio de transporte. Gracias a las propiedades físicas del agua, los sistemas de enfriamiento radiantes hidrónicos pueden remover una determinada cantidad de energía térmica usando menos de 5% de energía en ventiladores que de otra manera podría ser necesaria. La separación de las tareas de ventilación y enfriamiento no sólo mejora las condiciones de confort, sino que además mejora la calidad de aire interior, así como el control y zonificación del sistema. Los sistemas hidrónicos combinan mecanismos para controlar la temperatura de las superficies de espacios con sistemas centrales de manejo de aire. De esta manera la mayor parte del enfriamiento es provisto por radiación, usando al agua como medio de transporte, que gracias a sus propiedades físicas permite remover buenas cantidades de calor usando menos de 5% de la cantidad de energía que sería necesaria para accionar ventiladores en una aplicación similar. La separación entre enfriamiento y ventilación no sólo mejora las condiciones de confort, sino que también incrementa la calidad del aire interior además de permitir el control y zonificación del sistema. El enfriamiento de construcciones no residenciales en EE.UU. contribuye significativamente al consumo de energía eléctrica y demanda pico de energía. Parte de la energía eléctrica usada para enfriar construcciones es usada por ventiladores que transportan aire frío a través de ductos. El componente energético típico se divide de la siguiente manera: 31% iluminación, 13% personas, 14% transporte de aire, y 6% por equipo (en la gráfica esto se considera como 62.5% con la etiqueta “enfriamiento”(aproximadamente 37% del consumo energético es utilizado en el transporte de aire y el remanente en la operación del compresor. Dado que grandes superficies están disponibles para intercambio de calor en sistemas de enfriamiento hidrónico (normalmente todo el piso o techo), la temperatura de enfriamiento está apenas por debajo a la de la temperatura de la habitación, y por el hecho de que el refrigerante puede mantenerse a altos niveles de temperatura, el uso de bombas de calor con alto coeficiente de desempeño, torres de enfriamiento, enfriamiento nocturno, o alguna combinación de estas puede reducir el gasto energético. Al mismo tiempo los sistemas de enfriamiento reducen problemas por fugas en ductos ya que usan mucho menos aire de ventilación y debido a que el aire se acondiciona sólo para llegar a la temperatura ambiente y no precisamente para enfriarlo. Otro beneficio es que la ventilación a través de sistemas DOAS y su trabajo de ductos necesita sólo 20% del espacio que requieren otros sistemas HaVAC, con lo que también se reducen costos. Estos sistemas pueden utilizarse exitosamente en espacios como: hospitales, oficinas, bibliotecas, museos y asilos, entre otros. Además los sistemas hidrónicos, en algunos casos (de acuerdo a las características de la tubería), pueden utilizarse para calefactar o enfriar los mismos espacios. Simulaciones en software especializado muestran que en climas templados / cálidos sólo entre 10 y 20% del aire de reposición es exterior. Esta fracción del aire de reposición es necesaria para ventilar los edificios suficientemente, permitiendo mantener alto nivel de calidad de aire en interiores. - Sistema exterior para manejo de aire (DOAS) Un nuevo sistema HVAC llamado DOAS (Sistema Exterior para Manejo de Aire – Dedicated Outside Air System) usa 100% de aire exterior en cada espacio acondicionado por medio de una unidad de aire de volumen constante con toda la recuperación energética. Además de ventilar cada espacio, el DOAS mejora el control de humedad y por consiguiente prácticamente elimina problemas de microbios o cualquier otra situación relacionada al síndrome del edificio enfermo. Su unidad exterior usa equipos de recuperación de energía total y rueda de entalpía para refrescar y humedecer el aire exterior durante el verano. Esto ayuda a reducir la carga térmica y con ello es posible tener equipos de refrigeración más pequeños, y la rueda de entalpía funciona también durante el invierno permitiendo el uso de plantas más pequeñas de calefacción y humidificación, y a su vez consumo energético. Esta solución combinada con techos radiantes de enfriamiento disminuye la amenaza de contaminación, ya que no se recircula aire y por tanto no se liberan agentes biológicos o químicos en otras partes de la construcción. En cambio se diluyen o debilita la presencia de dichos agentes. -

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Máquina de enfriamiento magnética

 

 

Máquina de enfriamiento magnética

Máquina de enfriamiento magnética para aplicación domestica

Resumen

En este trabajo se presenta un nuevo tipo de refrigerador magnético alternativo  trabajando con imanes de alta remanencia y permanentes como la fuente del campo magnético. El campo magnético simulado y medido en el espacio de aire de la máquina es de unos 1,45 Tesla. Inicialmente, el metal gadolinio (Gd) fue utilizado como refrigerante magnetocalórico. Sus actuaciones magnetocalóricas y su calidad se verificaron experimentalmente en un banco de pruebas desarrollado y confirmado por los cálculos teóricos basados en la teoría de campo medio (MFT). Para alcanzar altos valores de la diferencia de temperatura entre el calor y las fuentes de frío (rango de temperatura), un nuevo tipo de ciclo de Activo de la Refrigeración Magnética (AMR) se llevó a cabo. Sin embargo, con el fin de reducir el consumo de energía y luego incrementar el rendimiento termodinámico del sistema magnético, una configuración especial de los materiales magnetocalórico es desarrollada. Los resultados numéricos de las fuerzas magnéticas aplicadas en la nueva configuración se dan y son analizadas en detalle. La máquina desarrollada está diseñada para producir una potencia de refrigeración entre 80 y 100 Vatios con un rango de temperatura de más de 20°C. Los resultados obtenidos demuestran que el enfriamiento magnético es una alternativa prometedora para reemplazar los sistemas tradicionales.

Palabras clave: refrigeración magnética, efecto magnetocalórico, sistema de refrigeración magnético, la optimización del sistema, la refrigeración magnética activa,

1. Introducción

El impacto de los refrigerantes sintéticos en el medio ambiente, así como las obligaciones de seguridad jurídica impulsan la industria de la refrigeración a buscar nuevas formas de eliminación por completo de los gases de efecto invernadero o para disminuir su carga en numerosas instalaciones. Con el fin de se libertar de los refrigerantes sintéticos, las industrias están continuamente en busca de nuevas tecnologías respetuosas del medio ambiente y adecuadas que permitirán el alto ahorro de energía, por lo tanto la reduccir las emisiones indirectas de CO2. Durante los últimos quince años, ambos, a saber, la reducción de la carga de los refrigerantes en las instalaciones y el uso de los refrigerantes recursos naturales, no inflamables, respetuosos del medio ambiente han sido las opciones preferidas por muchos usuarios finales. La investigación sobre tecnologías de refrigeración del futuro se orienta en la tecnología de refrigeración indirecta como por ejemplo, Cambio de Fase de Lechadas (PCS), la tecnología de compresor de vapor CO2, la refrigeración termoeléctrica, refrigeración termo-acústica y refrigeración magnética (RM).

Desde el descubrimiento de la alta polarización de imanes permanentes de Nd-Fe-B, el efecto magnetocalórico gigante en Gd5Ge2Si2 y la evolución  del rendimiento superior de los sistemas de refrigeración magnéticos cerca de la temperatura de la sala, estudios intensivos fueron motivados sobre los materiales magnetocalóricos y dispositivos de refrigeración magnéticos. La refrigeración magnética (RM) se basa en el efecto magnetocalórico (MCE). Esta propiedad intrínseca de algunos materiales magnéticos fue descubierta por Warburg en 1881 [1]. Se define como la respuesta de algunos materiales magnéticos a un campo magnético variable que se manifiesta como lo cambio de la entropía isotérmica  _s y cambio de temperatura adiabática _Tad (ver Fig. 1). Cuando un campo magnético se aplica a material magnético cerca de la región de fase de transición, los momentos magnéticos cambian su estado de pedidos y como consecuencia la entropía magnética. En condiciones adiabáticas, este cambio en la entropía magnética se compensa con una modificación en parte  de la red (vibración de átomos) de la entropía total que aumenta o disminuye la temperatura del material dependiendo del signo del campo aplicado y la naturaleza de orden magnética en el refrigerante.

Figura 1: Cambio de temperatura adiabática con magnetización por gadolinio puro

El origen de la MCE se explicó de forma independiente por Debye y Giauque [2, 3], y señaló que las bajas temperaturas podrían ser alcanzadas mediante una sal paramagnética. En 1933 [4], Giauque y MacDougall han logrado con éxito temperaturas por debajo de 1 Kelvin por el uso de la desmagnetización de la refrigeración. Brown fue el primero en demostrar la viabilidad del RM cerca de la temperatura ambiente [5]. En 1976, obtuvo una diferencia de temperatura de 46 K entre el extremo caliente y frío de un refrigerador sencillo con usando 158 g de metal gadolinio y un campo aplicado de 7 Tesla. El fluido portador que consiste en una mezcla de 80% de agua y 20% de alcohol etílico solución fue utilizada como fluido de transferencia de calor. En comparación con la refrigeración clásica, la refrigeración magnética es una técnica segura en relación al medio ambiente (ausencia de CFC y HCFC) con muchas ventajas, tales como eficacia alta, poco ruido, baja presión y configuración compacta.

La moderna tecnología de refrigeración magnética nació cuando Zimm et al desarrollaron máquinas que operaban con éxito demostrando que esta tecnología es viable y competitiva para aplicaciones de uso doméstico e industrial a gran escala. La primera prueba (alternativo) operada con un campo magnético de 5 Tesla con un imán superconductor [6]. Con 10 K de rango de temperatura (entre 281 y 291 K), él alcanzó una potencia de refrigeración de 600 W, un coeficiente de rendimiento (COP), de 10 y máximo de 60% del rendimiento de Carnot. El  COP representa una relación entre la energía de enfriamiento (Qcool) y la entrada total de energía (W). Vale la pena señalar que el COP del refrigerador tradicional es de 30 a 40% de eficiencia de Carnot [7, 8 y 9].

El segundo prototipo desarrollado por Zimm et al [10] fue una máquina rotativa trabajando con algunos compuestos raros a base de tierra como refrigerante magnetocalórico magnetizado y desmagnetizado a través de un campo magnético de 1.5 Tesla producido por una fuente magnética basado sobre imanes permanentes de Nd-Fe-B (PM). La potencia de refrigeración obtenida fue de 50 W a 0 K de rango de temperatura y 25 K como la diferencia de temperatura máxima entre la fuente caliente y fría. Más tarde, varios manifestantes fueron reportados en la literatura. Para obtener más información, consulte Gschneidner et al [11].

El material magnetocalórico es una clave importante para el desarrollo de la tecnología de la refrigeración magnética. Sin embargo, hasta hoy el principal material utilizado en prototipos de refrigeración magnética es el metal de gadolinio (Gd) y sus aleaciones. Esto se atribuye esencialmente a su buen desempeño magnetocalórico a temperatura ambiente, buenas propiedades mecánicas, baja histéresis, la disponibilidad en el mercado y su capacidad para responder a las varias necesidades de ingeniería. Sin embargo, el elevado coste y la inestabilidad química limitan el uso de Gd como refrigerante en una aplicación a gran escala. Con el objetivo de sustituir a Gd, un gigante MCE fue descubierto en materiales de transición de primer orden Gd5(Ge1-xSix)4 [12]. Unos años más tarde, varias otras familias de materiales MC fueran informados y encontrados presentando alto nivel de MCEs en grandes rangos de temperatura:: desde la temperatura ambiente a las bajas temperaturas. Estos incluyen series como MnAs1-xSbx [13] MnFeP1-xAsx [14], LaFe13-xSix [15, 16]  y sus derivados. Desde el punto de vista práctico, los materiales LaFe13-xSix parecen ser los más prometedores en los sistemas de refrigeración magnética debido a su alta MCE, bajo costo y baja histéresis. En nuestro laboratorio, muchos esfuerzos se centran en el desarrollo, la mejora y la aplicación de esta familia, en colaboración con socios industriales y académicos. En este trabajo se presentan los resultados iniciales de un sistema de refrigeración magnética preindustrial. Esta máquina fue diseñada y desarrollada teniendo en cuenta el diseño, mercado y los requisitos de rendimiento termodinámico.

2. Fuente del campo magnético

Además de los refrigerantes magnéticos, la optimización de los imanes permanentes para generar un alto campo magnético es una clave importante para el desarrollo de tecnologías de refrigeración magnética. En los sistemas de refrigeración magnética, la fuente del campo magnético es equivalente al compresor en los sistemas de ciclo de compresión convencional. En los sistemas magnéticos, cuanto mayor es el campo magnético generado, mayor es la temperatura y el cambio de entropía de la sustancia de trabajo y como consecuencia el sistema más potente puede ser. Considerando el rendimiento magnetocalórico de los materiales disponibles, un campo magnético aplicado superior a 1 Tesla es necesario.

Figura 2: Distribución del campo magnético a lo largo del eje de la fuente magnética dada para diferentes valores de altura de aire vacío.

Para aplicaciones industriales, es decir, refrigeradores del supermercado, aire acondicionado de edificio, licuefacción de gas, etc, imanes superconductores se pueden utilizar para alcanzar el nivel de inducción hasta 8-10 Tesla con la restricción de utilizar helio líquido o un cryocooler para mantener la bobina superconductora, cerca de 4 K. Sin embargo, como ha señalado Gschneidner et al [11] para aplicaciones domésticas y pequeños sistemas de refrigeración, el imán superconductor está fuera de cuestión y el diseño de matrices de imanes permanentes de bajo costo con alta inducción es un aspecto importante de la comercialización de RM en el mercado de consumo. Con las máquinas PM, la energía térmica es inducida sin consumo de electricidad, sólo se requiere un actuador para magnetizar y desmagnetizar los materiales magnetocalóricos. En la literatura, varios tipos de fuentes de flujo magnético se informaran [17, 18]. Para lo que fue desarrollado por Lee et al [17], el campo magnético de un PM con abertura lateral puede asistir a 3 T con un espacio de aire de 5,8 mm.

Para la máquina que se presenta aquí, una fuente magnética innovadora es desarrollada y diseñada. A última se basa en un teorema de rotación modificado por Halbach y se puede utilizar para ambos: sistemas magnéticos alternativos y rotatorios. En el primer paso del proceso, empezamos el diseño optimizado de la geometría de la nueva fuente estudando teóricamente esta estructura como una función del espacio del aire, imanes, densidad de flujo de remanencia, etc

Debido a la complejidad de la estructura geométrica y la presencia de diferentes materiales magnéticos blandos, las formulaciones analíticas están fuera de cuestión. A tal efecto, las simulaciones numéricas del campo magnético generado se llevaron a cabo. En este trabajo, el programa Flux3D de elementos finitos fue utilizado para simular el campo magnético en el circuito PM. Flux3D se basa en un código Fortran que se ejecuta en ambos sistemas operativos Unix y Windows. Utiliza las ecuaciones de Maxwell como base para determinar el potencial magnético en condiciones estáticas sobre la base de esta ecuación:

Donde μ es la permeabilidad magnética relativa y Mr es la remanencia. El potencial magnético obtenido permite los cálculos de todas las cantidades magnéticas en cualquier punto del espacio.

Figura 3: Distribución del campo magnético a lo largo del eje de la fuente magnética en función de imán de longitud.

Figura 4: Campo magnético calculado y medido a lo largo del eje de la fuente magnética (L = 120 mm, h = 12 mm)

En este estudio, el campo magnético se ha calculado en función de la longitud y la altura del espacio de aire de la fuente magnética. La estructura del imán es diseñado sobre la base de Nd-Fe-B. Los imanes permanentes tienen una mayor remanencia de alrededor de 1,45 Tesla. Con el fin de estudiar y optimizar los parámetros estructurales, la altura h del espacio de aire se varió entre 10 mm a 22 mm para una longitud fija L = 120 mm y el último fue cambiado de 120 mm a 200 mm para h = 12 mm . La fuerza de la inducción magnética a lo largo orientación y en el centro del espacio de aire se da en las figuras 2 y 3. Como se muestra en las figuras, la estructura geométrica de los imanes permanentes se pueden adaptar fácilmente dependiendo de la aplicación requerida. El campo magnético inducido es muy sensible a la altura del espacio de aire y aumenta casi linealmente al disminuir h. Mientras, la longitud de la fuente magnética influye ligeramente el campo magnético en el espacio de aire. Para el prototipo desarrollado aquí, la fuente de campo del espacio de aire aprobada tiene una cruz de 12 mm x 50 mm y una longitud de 120 mm. La inducción calculada en el centro del imán por el Flux 3D es de aproximadamente 1,44 Tesla. Para comprobar la validez de los campos magnéticos obtenidos por simulaciones 3 D, hemos medido la densidad de flujo magnético generado con la sonda Hall. Los resultados de las mediciones se compararán con los datos numéricos se muestran en la figura 4. La comparación indica el acuerdo muy bueno de resultados que confirma la capacidad de Flux3D evaluar el campo magnético en los mismos sistemas.

3. Refrigerante magnetocalórico: gadolinio

La elección del refrigerante magnetocalórico es de gran importancia ya que influye fuertemente el rendimiento termodinámico de la máquina de refrigeración. Gadolinio puro es el único material utilizado en la mayoría de los prototipos de refrigeración magnética. Esto se atribuye esencialmente a su importante MCE, su capacidad para responder a varios requisitos de ingeniería y a la disponibilidad en el mercado.

En primer lugar, hemos utilizado placas planas refrigerantes Gd en nuestra máquina. Las propiedades hermomagnéticas de Gd tal magnetización, entropía, cambio de temperatura adiabática y calor específico se estudiarán ampliamente y fueran reportados en la literatura [19]. Sin embargo, antes de colocar el material en la máquina, hemos medido las prestaciones magnetocalóricas en condiciones prácticas de funcionamiento con un set-up desarrollado en nuestro laboratorio. Este sistema permite la medición del cambio de la temperatura cercana de la temperatura ambiente en una inducción magnética alrededor de 2 Tesla.

Los resultados de medición se dan en la figura 5 (Gd: 2 mm). Los T_ normalizados obtenidos con respecto al campo magnético es de aproximadamente 2 K/ T que es comparable con lo reportado en la literatura [19].

Con el fin de estudiar el efecto de desmagnetización de las propiedades magnetocalóricas de Gd varias mediciones _T se realizaron en las hojas de gadolinio con diferentes espesuras y el campo magnético se aplicó perpendicularmente a la superficie de las placas. El cambio de temperatura de tres placas con una espesura de 0,3 mm, 1 mm y 2 mm se compara en la figura 5. Podemos observar que el MCE de Gd se reduce drásticamente al disminuir el espesura de la chapa de 2 para 0,3 mm.

Figura 5: Efecto del campo de desmagnetización de las propiedades magnetocalóricas de Gd (menores de 2 T).

Esta diferencia se atribuye al efecto de desmagnetización debido a la forma de la muestra. La aplicación de un campo perpendicular a la superficie del material induce un campo interno en la dirección inversa llamado campo de desmagnetización. Este último anula una parte del campo aplicado lo que reduce el campo interno total del material magnetocalórico y disminuye como consecuencia las actuaciones magnetocalóricas. Para evitar el efecto de desmagnetización en nuestra máquina, las placas se colocaron en paralelo al campo aplicado.

4. Descripción del refrigerador magnético y los resultados preliminares
Una vista general de la máquina de refrigeración magnética diseñada se presenta en la figura 6. El aparato experimental se compone de dos fuentes magnéticas permanentes produciendo alrededor de 1,45 Tesla, dos regeneradores con placas de Gd, cuatro intercambiadores de calor.

El regenerador se divide en dos partes, cada parte contiene placas planas Gd de 1 mm de espesor y 100 mm de longitud, correspondientes a cerca de 400 gramos de gadolinio.

Figura 6: Una vista de la máquina de refrigeración magnética desarrollada.

Figure 7: Las fuerzas magnéticas calculadas para los bloques 1 y 2 en el regenerador

El trabajo magnético constituye una gran parte de la energía absorbida totalmente por el sistema de refrigeración magnética. Además, la reducción de las fuerzas magnéticas es de gran importancia para el desarrollo de máquinas de alta eficiencia. Para ello y con el objetivo de compensar a las fuerzas magnéticas, el regenerador se dividió en dos partes separadas por una distancia de unos 30 mm. Figura 7 muestra la diferencia entre las fuerzas magnéticas calculada numéricamente para 1 y 2 bloques de Gd.

Como se muestra en la figura 7, la fuerza magnética se puede disminuir drásticamente cuando se utiliza un lecho constituido por dos bloques de Gd. Los cálculos numéricos desarrollados en la figura 7 se confirmaron experimentalmente por mediciones realizadas en la máquina aquí reportada. Un estudio detallado de las fuerzas magnéticas en sistemas de refrigeración magnética se publicará en una próxima comunicación.

El rango de temperatura entre los extremos frío y caliente se amplificó mediante especiales ciclos termodinámicos llamados regeneración de refrigeración magnética activa (AMR) [19]. Estos ciclos se dividan en cuatro pasos:

• magnetización de los materiales magnéticos induciendo el calentamiento;
• flujo de un líquido de la fuente fría a la fuente de calor para evacuar el calor: la temperatura del flujo aumenta y el calor generado por el material MC se quita y evacua en la dirección del extremo caliente;
• desmagnetización del material cuando se retira del campo magnético, lo que conduce al aumento potencial de la entropía magnética, disminuyendo la temperatura del refrigerante;
• flujo del fluido de transferencia de calor a la fuente fría a fin de evacuar la energía de enfriamiento.

El proceso de funcionamiento de la AMR se puede controlar mediante el ajuste del movimiento del actuador y la válvula. La frecuencia de operación del ciclo fue de 0,5 Hz.

La figura 8 muestra un ejemplo de los resultados de los datos experimentales. En cada fuente de calor, la temperatura cambia progresivamente a un valor límite en el estado estacionario. Después de varios ciclos de AMR, el rango de temperatura máxima alcanzada entre los extremos de frío y en caliente es de unos 12°C.

El rango de temperatura relativamente bajo se atribuye esencialmente a las malas propiedades térmicas del fluido caloportador. El Basylon se utilizó especialmente para proteger a la cama Gd de la corrosión y la oxidación.

Figura 8: Rango de temperatura: resultados experimentales para f = 0,5 Hz y Basylon como fluido de transferencia de calor.

Sin embargo, los resultados preliminares muestran que al utilizar agua o Zitrec como fluidos de transferencia de calor, una diferencia de temperatura de alrededor de 22°C se puede alcanzar. Más detalles acerca de la máquina con los parámetros optimizados se comunicará en el futuro.

5. Conclusiones y trabajo futuro
Un sistema de refrigeración magnético permanente alternativo lineal ha sido diseñado y construido. El gadolinio se utiliza como primero material magnetocalórico de ensayo, pero otros materiales son considerados para la prueba, en particular, los compuestos basados en NaZn13. Sin embargo, se dedicó mucho esfuerzo a fin de hacer la máquina desarrollada más compacta, para obtener la inducción magnética suficiente en la cámara de aire (1.45 Tesla) y reducir las fuerzas magnéticas que actúan sobre el refrigerante magnetocalórico durante el proceso de magnetización-desmagnetización. Las pruebas preliminares de la máquina se realizaron y fueron obtenidos resultados alentadores. Para investigar el dispositivo, se ejecutarán más experiencias y un informe detallado acerca de la máquina con los parámetros optimizados se comunicará en el futuro.

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