Descripció i Funcionament de Plantes de Fred Industrial

1. Introducció

Les plantes de fred industrial en l'àmbit marítim són sistemes essencials per a vaixells pesquers, mercants amb càrrega refrigerada i vaixells de provisions. Aquests sistemes permeten mantenir temperatures controlades per a la conservació de productes alimentaris, el transport de càrrega refrigerada i el condicionament d'espais.

2. Principis Termodinàmics

2.1. Cicle de Refrigeració per Compressió de Vapor

El funcionament de les plantes de fred industrial es basa en el cicle de refrigeració per compressió de vapor, que consta de quatre processos fonamentals:

1. Compressió (1→2): El refrigerant en estat de vapor a baixa pressió i temperatura és aspirat pel compressor i comprimit fins a alta pressió. Aquest procés és adiabàtic i augmenta la temperatura del vapor.

2. Condensació (2→3): El vapor a alta pressió i temperatura cedeix calor al medi de refredament (aigua de mar o aire) i es condensa, passant a estat líquid a alta pressió.

3. Expansió (3→4): El líquid a alta pressió passa a través d'un dispositiu d'expansió (vàlvula d'expansió termostàtica o tub capil·lar) on experimenta una caiguda brusca de pressió, refredant-se significativament.

4. Evaporació (4→1): El refrigerant a baixa pressió i temperatura absorbeix calor de l'espai a refrigerar, evaporant-se completament abans de tornar al compressor.

2.2. Diagrama Pressió-Entalpia (p-h)

El diagrama p-h és l'eina fonamental per analitzar el cicle:

• •Eix vertical: Pressió (logarítmica)
• •Eix horitzontal: Entalpia específica (kJ/kg)
• •Corba de saturació: Separa les zones de líquid, vapor i mescla

Paràmetres clau del cicle:

• •Temperatura d'evaporació (t₀): Determina la capacitat frigorífica
• •Temperatura de condensació (tc): Depèn del medi de refredament
• •Subreframent: Refredament addicional del líquid després de condensar
• •Sobreescalfament: Escalfament del vapor abans d'aspirar

3. Components Principals

3.1. Compressors

El compressor és el cor de la instal·lació, responsable de fer circular el refrigerant i crear la diferència de pressió necessària.

Tipus de compressors:

Compressors alternatius (de pistó):

• •Funcionament: Cilindre amb pistó que comprimeix el vapor
• •Avantatges: Robustos, ampli rang de capacitats, fàcil manteniment
• •Aplicacions: Instal·lacions petites i mitjanes
• •Variants: Oberts, semihermètics i hermètics

Compressors de cargol (helicoïdals):

• •Funcionament: Dos rotors helicoïdals que comprimeixen el vapor contínuament
• •Avantatges: Funcionament suau, menys vibracions, regulació de capacitat
• •Aplicacions: Instal·lacions mitjanes i grans
• •Refrigerants: R404A, R717 (amoníac), R507

Compressors scroll:

• •Funcionament: Dues espirals que comprimeixen el vapor
• •Avantatges: Silenciosos, compactes, alta eficiència
• •Aplicacions: Petites capacitats, climatització

Compressors centrífugs:

• •Funcionament: Rotor a alta velocitat que accelera el vapor
• •Avantatges: Grans capacitats, funcionament continu
• •Aplicacions: Grans instal·lacions industrials

3.2. Condensadors

Condensadors refrigerats per aigua de mar:

• •Tipus més comú en instal·lacions marines
• •Disseny: Carcassa i tubs (shell and tube)
• •L'aigua de mar circula pels tubs, el refrigerant condensa a la carcassa
• •Avantatges: Alta eficiència, temperatura de condensació estable
• •Inconvenients: Necessitat de tractament anticorrosió, neteja periòdica

Condensadors refrigerats per aire:

• •Bateria de tubs amb aletes i ventiladors
• •Utilitzats en sistemes auxiliars o quan no hi ha aigua disponible
• •Temperatura de condensació més alta i variable

Condensadors evaporatius:

• •Combinació d'aigua i aire
• •Alta eficiència en climes secs
• •Menor consum d'aigua que els de torre de refredament

3.3. Evaporadors

Evaporadors d'expansió seca:

• •El refrigerant s'evapora completament dins dels tubs
• •Sobreescalfament a la sortida per evitar líquid al compressor
• •Tipus més comú en refrigeració comercial i marina

Evaporadors inundats:

• •Els tubs estan submergits en refrigerant líquid
• •Major eficiència de transferència de calor
• •Requereixen separador de líquid abans del compressor

Configuracions segons aplicació:

• •Evaporadors de plaques: Per refredament de líquids
• •Evaporadors de tub llis: Per congelació ràpida
• •Evaporadors de tub amb aletes: Per càmeres frigorífiques
• •Evaporadors de sostre (unit coolers): Amb ventiladors integrats

3.4. Dispositius d'Expansió

Vàlvula d'expansió termostàtica (VET):

• •Regula el cabal de refrigerant segons el sobreescalfament
• •Bulb sensor a la sortida de l'evaporador
• •Tipus: Equilibratge intern o extern
• •Ajust: Sobreescalfament típic 5-8 K

Vàlvula d'expansió electrònica (VEE):

• •Control precís mitjançant senyal elèctric
• •Sensors de pressió i temperatura
• •Major eficiència i rang de regulació
• •Integració amb sistemes de control

Altres dispositius:

• •Tub capil·lar: Sistemes petits i domèstics
• •Vàlvula de flotador: Evaporadors inundats

4. Refrigerants Marins

4.1. Refrigerants Sintètics

R404A:

• •Mescla de HFCs (R125/R143a/R134a)
• •GWP alt (3922)
• •Temperatura d'evaporació: -40°C a +5°C
• •Àmpliament utilitzat però en fase de substitució (F-Gas)

R507A:

• •Mescla azetròpica de HFCs
• •Similar a R404A, GWP 3985
• •Baixa temperatura

R134a:

• •HFC pur
• •GWP 1430
• •Temperatures mitjanes i altes

R449A / R448A:

• •Alternatives de baix GWP per substituir R404A
• •Compatible amb instal·lacions existents

4.2. Refrigerants Naturals

R717 (Amoníac - NH₃):

• •Excel·lent rendiment termodinàmic
• •GWP = 0, ODP = 0
• •Econòmic i fàcilment detectable
• •Tòxic i lleugerament inflamable
• •Requereix equips específics i formació especial
• •Molt utilitzat en grans instal·lacions industrials marines

R744 (CO₂):

• •GWP = 1, ODP = 0
• •Funciona a pressions molt altes (fins a 130 bar)
• •Cicle transcrítico o subcrítico
• •Ideal per baixa temperatura en cascada
• •Creixent utilització en refrigeració marina

R290 (Propà):

• •GWP = 3, excel·lent rendiment
• •Altament inflamable
• •Limitat a petites càrregues

4.3. Normativa F-Gas

El Reglament (UE) 517/2014 sobre gasos fluorats estableix:

• •Reducció progressiva dels HFCs
• •Prohibició de refrigerants d'alt GWP en noves instal·lacions
• •Requisits de formació per a manipuladors
• •Obligació de registre i control de fuites
• •Reciclatge i recuperació obligatoris

5. Aplicacions Marines

5.1. Bodegues Frigorífiques

Característiques:

• •Temperatures de conservació: -2°C a +4°C (peix fresc)
• •Temperatures de congelació: -18°C a -25°C
• •Aïllament tèrmic: Poliuretà projectat o panells sandvitx (80-200 mm)
• •Sistemes de ventilació per distribuir l'aire fred
• •Control d'humitat relativa

Disseny:

• •Càlcul de càrregues tèrmiques
• •Dimensionament d'evaporadors
• •Distribució d'aire
• •Sistemes de desgelada

5.2. Túnels de Congelació

Funció: Congelació ràpida de productes per preservar la qualitat

Tipus:

• •Túnels de corrent d'aire: Velocitat d'aire 3-5 m/s, -35°C a -40°C
• •Congeladors de plaques: Contacte directe, -35°C a -40°C
• •Sistemes de llit fluïditzat: Per productes petits (IQF)

Temps de congelació:

• •Depèn del gruix del producte
• •Objectiu: Passar la zona de cristal·lització (-1°C a -5°C) ràpidament

5.3. Sistemes de Climatització

• •Condicionament d'aire per acomodació i pont de comandament
• •Temperatures de confort: 22-26°C
• •Control d'humitat: 40-60% HR
• •Ventilació i filtratge d'aire

6. Sistemes Auxiliars

6.1. Circuit d'Aigua de Refredament

• •Bombes de circulació d'aigua de mar
• •Filtres i protecció contra organismes marins
• •Tractament anticorrosió
• •Vàlvules de fons i seients
• •Intercanviadors de calor (si s'utilitza circuit tancat)

6.2. Sistema d'Oli Lubricant

• •Lubricació del compressor
• •Separadors d'oli
• •Retorn d'oli a l'evaporador
• •Control de nivell i pressió d'oli

6.3. Sistema de Control

• •Termòstats i pressòstats
• •Controladors electrònics
• •Sistemes de supervisió (SCADA)
• •Alarmes i proteccions

7. Rendiment i Eficiència

7.1. Coeficient de Rendiment (COP)

El COP indica l'eficiència del cicle frigorífic:

```

COP = Potència frigorífica / Potència absorbida pel compressor

COP = Q₀ / W

```

Valors típics:

• •Refrigeració (0°C): COP 2.5-4.0
• •Congelació (-25°C): COP 1.5-2.5
• •Climatització (+5°C): COP 3.0-5.0

7.2. Factors que Afecten el Rendiment

• •Temperatura d'evaporació més alta → millor COP
• •Temperatura de condensació més baixa → millor COP
• •Subreframent → augmenta capacitat frigorífica
• •Sobreescalfament excessiu → redueix COP
• •Estat de manteniment dels equips