Para ahorrar energía en cámara, mejor utilizar un diferencial de refrigeración pequeño en torno a la temperatura de consigna

Investigadores estudian diferentes estrategias para ahorrar energía durante frigoconservación de manzanas. Es una publicación de 2018, y los resultados siguen siendo de útiles para el manejo de cámaras frigoríficas  

Importancia de la frigoconservación para el almacenamiento prolongado de las manzanas

Después de la cosecha, las frutas de pepita a menudo se almacenan a baja temperatura en combinación con condiciones de atmósfera controlada (CA). De esta manera, se consigue extender su vida útil mientras se preserva una alta calidad y se reducen las pérdidas poscosecha. La tasa de respiración de la fruta de pepita y su proceso de senescencia y deterioro están estrechamente relacionados con la temperatura. Por lo tanto, es esencial almacenar el producto dentro de un rango estrecho de bajas temperaturas durante la duración total del período de almacenamiento. Este puede durar hasta diez meses después de la cosecha, según el cultivar y las condiciones de AC. Para las manzanas, la temperatura óptima de almacenamiento está entre 0 °C y 3 °C. En combinación con 1-MCP, es posible almacenar manzanas a temperaturas aún más altas sin un efecto perceptible en la calidad. Gwanpua et al. (2013) desarrollaron y validaron un modelo cinético estocástico del desglose de la firmeza de las manzanas en función de las condiciones de CA, el tiempo de almacenamiento y la temperatura. Este modelo se utilizó para evaluar el efecto de tres temperaturas de almacenamiento (1 °C, 2 °C y 3 °C) sobre la firmeza y la aceptación del consumidor. De las simulaciones se desprende que la firmeza final de las manzanas después de cuatro meses de almacenamiento a 1 °C o 3 °C era comparable y no estaba por debajo del umbral mínimo para la exportación. Esto pareció proporcionar un claro beneficio para una gestión flexible de la cadena de frío para reducir los costos de energía al almacenar la fruta a temperaturas más altas. Sin embargo, rara vez se ha considerado la tolerancia de la fruta a las fluctuaciones de temperatura durante el almacenamiento. Este et al. (2013) idearon un experimento para analizar los cambios de calidad cambiando los puntos de ajuste de temperatura de 0,5 a 4,0 °C con fluctuaciones crecientes hasta 2,0 °C durante el almacenamiento de manzanas en CA en contenedores experimentales. También se encontró que las diferencias en calidad eran insignificantes para diferentes cultivares de manzana después de varios meses de almacenamiento. No se consideró el efecto de las diferencias en las fluctuaciones alrededor del punto de ajuste de temperatura óptimo.  

Los altos costes de energía constituyen uno de los principales problemas en los almacenes

Los productores, las cooperativas y los mayoristas buscan estrategias de enfriamiento alternativas para reducir los altos costos de refrigeración. Estos pueden representar hasta en un 60 % a los costos variables totales (Kart y Demircan, 2014). Mediante el uso de un análisis de modelo concentrado, East et al. (2013) demostraron que evitar el enfriamiento durante las horas de mayor precio y concentrar el enfriamiento durante las horas de menor actividad puede resultar en una reducción de costos del 40 %. No obstante, esta estrategia no ahorra en el uso real de energía y permite más fluctuaciones de temperatura. Al reducir el tiempo de trabajo de los ventiladores con un régimen de ciclos de encendido/apagado, Ambaw et al. (2016) encontraron que hubo una disminución significativa en la carga de calor, mostrando posibilidades prometedoras para la reducción de energía en comparación con el enfriamiento continuo sin comprometer las temperaturas del producto. Sin embargo, no se investigó el impacto de las fluctuaciones de temperatura en la calidad de las manzanas. Las estrategias dedicadas de gestión de la temperatura deben evitar daños por frío y mantener la calidad. En general, se permite un rango diferencial de temperatura en torno a la temperatura de almacenamiento óptima (la temperatura de consigna del almacén frigorífico). No obstante, aún no se conocen los límites permisibles en torno a la temperatura de almacenamiento óptima. El valor del diferencial también puede afectar el consumo de energía, al cambiar el número y la duración de las acciones de enfriamiento y los períodos intermedios sin enfriamiento. Sin embargo, también se deben considerar los efectos sobre la temperatura y la uniformidad de la calidad del producto en la sala de almacenamiento. El desarrollo de modelos numéricos basados en dinámica de fluidos computacional (CFD) es una alternativa rentable para estudiar procesos de enfriamiento tanto a pequeña como a gran escala. Además, resolviendo las diferentes ecuaciones de transporte de un fluido (conservación de energía, masa y cantidad de movimiento) con la ayuda de técnicas numéricas, es posible estudiar las posibles interacciones de un fluido y su entorno en una alta resolución tanto espacial como temporal. (Blazek, 2015; Versteeg y Malalasekera, 2007). Con CFD, uno tiene el potencial de obtener una visión más fundamental del proceso de enfriamiento y obtener toda la información relevante que de otro modo sería muy difícil de obtener experimentalmente de manera rápida.  

Objetivo y material y métodos

El objetivo de este trabajo fue estudiar el efecto de cambiar el rango diferencial de temperatura para el almacenamiento refrigerado de manzanas (Malus × domestica Borkh, cv. “Jonagold”) a una temperatura óptima de 0,95 °C dentro de una cámara frigorífica comercial CA. Se evaluaron diferentes escenarios con un modelo CFD de medio poroso validado. Para tener en cuenta adecuadamente la dinámica de la transferencia de calor, el modelo CFD se amplió con un modelo de evaporador y controlador para implementar las estrategias de temperatura diferencial, así como también se amplió con un modelo de cinética de cambio de calidad. Se calcularon las distribuciones espaciotemporales de temperatura en varias posiciones dentro de la pila de contenedores de frutas y la evolución correspondiente de la calidad del producto  junto con el uso de energía durante el almacenamiento a largo plazo en cada escenario de almacenamiento.  

Conclusiones

Este estudio evaluó una estrategia adaptativa de encendido y apagado basada en el modelado de diferentes diferenciales de temperatura. El aumento del diferencial alrededor de una temperatura de punto de ajuste provoca mayores fluctuaciones de tiempo y temperatura del producto. Además, se consume más energía que aumenta exponencialmente con el aumento de los diferenciales. Aunque no se observaron efectos sobre la firmeza de la manzana de los diferenciales más grandes, el uso de un gran diferencial de enfriamiento durante el almacenamiento a largo plazo de las manzanas no parece ser una estrategia adecuada para reducir la energía. Reducir la temperatura del aire de salida del evaporador a valores inferiores a 0 °C podría reducir los tiempos de enfriamiento. Por lo tanto, también el consumo de energía, con el riesgo de sufrir daños por frío. En la cámara de almacenamiento se desarrolla una zona "caliente" en el medio de la pila y debajo de la unidad de refrigeración. Ahí, la temperatura del producto permanece más alta de forma bastante constante en comparación con las regiones exteriores de la pila. Estas responden rápidamente a un cambio en la temperatura del aire de suministro. Esto resultó en una diferencia espacial en la calidad final de las manzanas en todo el almacén frigorífico. Resolver la heterogeneidad de la temperatura espacial será más beneficioso para una mejor conservación de la calidad y reducir los costos de energía. Con este fin, se deben desarrollar e investigar diseños de flujo de aire alternativos en los que se pueda emplear este modelo.  

Resumen

• Los principales costos de energía del almacenamiento de manzanas a largo plazo están asociados con el enfriamiento.
• Es posible reducir estos costos sin comprometer la calidad del producto con aumentos menores de la temperatura ambiente.
• Se presenta un modelo CFD transitorio para evaluar el control de enfriamiento automático de encendido y apagado basado en diferentes diferenciales de temperatura (0,4, 0,5 y 0,7 °C alrededor de un punto de ajuste).
• Se calcularon los efectos sobre la uniformidad de la temperatura, los cambios de calidad y el consumo de energía durante el almacenamiento a largo plazo de las manzanas. Se acopló un modelo para la cinética del cambio de firmeza de la manzana al modelo CFD y se aplicó para calcular los cambios en la uniformidad de la calidad en una cámara frigorífica afectada por fluctuaciones espaciotemporales de la temperatura.
• Se observaron grandes fluctuaciones de temperatura cerca de los bordes exteriores de la pila y fueron más pronunciadas con un mayor diferencial de enfriamiento.
• El uso de un pequeño diferencial de refrigeración en torno a la temperatura de consigna mostró un mejor rendimiento general en términos de consumo de energía y calidad del producto final.

   

Fuente

W. Gruyters, P. Verboven, M. Delele, S.G. Gwanpua, A. Schenk & B. Nicolaï (2018). A numerical evaluation of adaptive on-off cooling strategies for energy savings during long-term storage of apples. International Journal of Refrigeration 85 (2018) 431-440. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0140700717304024