PME-Tema 8

Principios de mantenimiento electromecánico
Equipos de frío
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4. INSTALACIONES DE FRIO. BOMBAS DE CALOR
Las aplicaciones del frío en la industria enológica se conocen desde antiguo, en un
primer momento para conservar los vinos en locales subterráneos, donde las
temperaturas se amortiguan respecto de las existentes en la superficie, más tarde
aprovechando los fríos del invierno para lograr una estabilización natural de los
vinos, y por fin no hace muchos años con la aparición del frío industrial, para
múltiples usos enológicos, donde destacan el control de temperatura en la
fermentación alcohólica, la estabilización tartárica de los vinos, y por último la
climatización de los locales de almacenamiento o crianza de los vinos.
La refrigeración mecánica aparece por primera vez en el año 1755, donde el
escocés William Cullen fabrica hielo por evaporación de éter. Más tarde en 1810,
Sir John Lesley construyó la primera máquina productora de hielo, funcionando
mediante un principio similar al anterior; y por fin en el año 1834 el
estadounidense Jacob Perkins, patentó una máquina de compresión mecánica,
origen de los compresores utilizados hoy día. A estos le siguieron un gran número
de científicos ingleses, americanos, alemanes, franceses y holandeses, que
desarrollaron las teorías que contribuyeron al desarrollo del frío: Carl von Linde,
Carré, Black, Faraday, Carnot, Joule, Mayer, Clausius, Thompson Thonson (Lord
Kelvin), Helmholtz y Kamerling Onnes.
El flujo natural del calor siempre discurre desde un medio más caliente hacia otro
más frío, hasta que sus temperaturas se igualan. Una máquina frigorífica es un
aparato, que mediante el consumo de energía, permite invertir dicho flujo, de tal
manera que el calor pasa del medio más frío hacia el más caliente, de manera que
el primero se enfría todavía más (foco frío) y al mismo tiempo el segundo eleva
más su temperatura (foco caliente). Por lo tanto, este aparato es capaz de producir
frío por extracción del calor, al mismo tiempo que lo transmite a otro medio
produciendo calor, y comportándose como una máquina capaz de bombear calor
de un medio a otro. En el Caso de interesar solo la refrigeración, se define como
una unidad o grupo de frío, pero en el caso de aprovechar indistintamente las
producciones de calor o de frío, entonces se denominan como una bomba de
calor.
El consumo energético para la producción de frío en las bodegas, oscila entre 40
a 120 kWh/tonelada de vendimia.
Esta variación de consumo de 1 u
3, corresponde a una oscilación
de entrada de vendimia de 1 a
1.000.
4.1. Circuito frigorífico
La máquina frigorífica o bomba
de calor se compone de un circuito
cerrado por donde discurre un
fluido especial, existiendo fundamentalmente los siguientes elementos: compresor,
condensador, válvula de expansión y evaporador. El compresor es un elemento que
comprime el gas de circuito, elevando su presión y haciéndolo también subir de
temperatura, pasando a continuación al condensador donde el gas comprimido se
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enfría licuándose (calor latente de condensación), gracias a la intervención de una
refrigeración externa de aire o de agua, los cuales entran fríos y salen del
condensador a más alta temperatura. El fluido en estado líquido se dirige hacia la
válvula de expansión donde se regula la vaporización del gas en el evaporador,
pasando de nuevo a estado gaseoso mediante una importante absorción de calor
(calor latente de evaporación), que es tomado de otro fluido externo que circula por
él, consiguiéndose reducir su temperatura. Seguidamente el fluido en forma gaseosa
es aspirado por el compresor, para continuar con el ciclo antes mencionado.
De una manera global se observa que el calor del fluido externo que circula por el
evaporador (aire, agua u otro líquido) es transferido al fluido externo que circula por
el condensador (aire, agua u otro líquido), consiguiéndose reducir la temperatura de
los primeros a costa de elevar las temperatura de los segundos. Una parte del
circuito: compresor - condensador - válvula de expansión, permanece bajo presión,
y la otra parte: válvula de expansión - evaporador - compresor, lo hace como baja
presión. Del mismo modo en una parte del circuito: evaporador - compresor condensador, el fluido está en
forma de gas o vapor, y en la
otra parte: condensador válvula
de
expansión
-evaporador,
permanece en forma líquida.
Los
fluidos
refrigerantes
deben
presentar
unas
propiedades
físicas
determinadas para cumplir con
su cometido, representándose
las de carácter frigorífico en un
diagrama
presión
entalpía
particular para cada uno de ellos, y por donde se realiza el trabajo del circuito
frigorífico. Entalpía (h) es un término de energía definido como la suma de los flujos
de trabajo, expresándose matemáticamente como sigue:
Los refrigerantes se
encuentran normalmente
en estado líquido o en la
región del vapor donde las
leyes de los gases no, son
aplicables, entonces el
concepto de entalpía se
utiliza en refrigeración
para valorar los cambios
de energía, dibujándose
los ciclos de refrigeración
sobre
coordenadas
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presión-entalpía, también llamado diagrama de Mollier. Una vez que el gas se ha
comprimido y por lo tanto y su temperatura se ha elevado desde la salida del
compresor hasta la entrada en el condensador se produce en la conducción
una bajada de temperatura, conocida como "desrecalentamiento", para a
continuación producirse la condensación por el enfriamiento debido al fluido
de refrigeración externo. Del mismo modo y desde la salida del condensador
hasta la entrada en la válvula de expansión, se produce un inicio de
evaporación del fluido de refrigeración en la conducción
llamado
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"subenfriamiento", para luego hacer descender la presión por la apertura de
la válvula, que provoca en el evaporador una vaporización del fluido
frigorígeno, que es capaz de enfriar el fluido externo. Por ultimo, desde la
salida del evaporador hasta la entrada en el compresor, se produce un
calentamiento del fluido frigorígeno en la
conducción, denominado
«recalentamiento», para iniciarse de nuevo el ciclo a partir de éste. El
subenfriamiento puede realizarse añadiendo mayor superficie de intercambio
en el condensador, o bien instalando un intercambiador economizador de
calor, donde el fluido condensado se subenfría con el fluido vaporizado en la
fase de recalentamiento.
4.1.1. Fluidos refrigerantes
El fluido refrigerante actúa como un vehículo de transporte del calor en el
circuito de refrigeración, razón por la cual debe ser un fluido con una gran
capacidad de absorción de calor dotado de una masa relativamente pequeña.
Antiguamente se utilizaban dióxido de carbono, anhídrido sulfuroso, cloruro
de metilo, o amoníaco, extinguiéndose por su baja eficacia, toxicidad, e
incluso peligrosidad. En la actualidad se utilizan los fluidos derivados clorados
y fluorados de los hidrocarburos, más conocidos con los nombres
comerciales: freón, frigen, kaltron etc. que presentan en principio las
siguientes propiedades: ininflamables, no explosivos, atóxicos, no irritantes,
inodoros y químicamente inestables; aunque también en los últimos años han
observado algunos inconvenientes derivados de su uso, como la destrucción
de la capa de ozono de la atmósfera y el efecto invernadero que también
producen.
Estos fluidos se representan por la letra R, seguida por un número de tres
cifras, donde en la de las unidades se indica el número de átomos de flúor
que contiene la molécula, en la de las decenas restándole una unidad, el
número de átomos de hidrógeno, y en la de las centenas sumándole una
unidad, el número de átomos de carbono. Las valencias sobrantes se saturan
con átomos de cloro con átomos de bromo indicándose entonces con la
expresión B1. Así un freón R 012 corresponde a una molécula de C Cl 2 F 2 , o
bien un R 115 correspondería a la molécula C Cl F2 –CF3.
El circuito de refrigeración debe ser totalmente hermético, para impedir
fugas hacia el exterior debido a que se alcanzan presiones de trabajo entre
10 a 20 kg/cm 2 , que reducen la eficacia de refrigeración de la máquina, y
también producen los inconvenientes sobre el medio ambiente antes
señalados. Del mismo modo al ser muy higroscópicos, una posible entrada de
agua en el circuito, puede ocasionar graves problemas de corrosión, así
como de obstrucciones por la
formación de hielo en el evaporador,
admitiéndose un máximo de 1 gramo de agua por 100 kg de gas. Para la
lubricación de los compresores se utilizan aceites minerales, que permanecen
mezclados con el fluido refrigerante en una parte del circuito, mientras que
en la parle del evaporador no conviene que así sea, para lo que debe
disponerse de un dispositivo separador de aceite antes de su entrada.
El aceite arrastrado por el fluido refrigerante puede estar en forma de
gotas, o bien como aerosoles, que son gotas mucho más finas de diámetro
entre 0,01 a 0,80 micras, e incluso también como vapores de aceite. En los
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separadores de aceite, la descarga del vapor del fluido frigorígeno no se hace
pasar por barboteo a través de un baño del mismo refrigerante líquido,
desendiendo desde 80° a 100° C hasta -40°C, donde el aceite se separa
quedándose en la parle inferior del dispositivo, pudiendo ser entonces
fácilmente purgado y reenviado hacia el compresor.
Los primeros freones que se utilizaron, fueron los CFC o cloro fluorcarbonatados, prohibidos en la Unión Europea desde el año 1995 por su
acción destructora del ozono, destacando entre estos fluidos los siguientes:
Los
fluidos
han
sido
sustituidos por los HCFC o
hidro-cloro-fluor-carbonados
que al contener
menos
átomos de cloro o bromo en
sus moléculas, se reduce la
acción destructora sobre el
ozono, autorizándose una
utilización temporal en la Unión Europea hasta el año 2015, aunque posiblemente
esa fecha se adelante al año 2004. Los CFC más conocidos son los R 022, R 123.
R141b y R142b.
Los anteriores serán sustituidos por los fluidos HFC o hidro fluor-carbonados, que
no poseen el efecto destructor del ozono atmosférico de los freones anteriores,
pero que sin embargo presentan un mayor responsabilidad sobre el efecto
invernadero. Entre estos HFC destacan los R 125, R134a, R143a, R152a, yR032.
También se ha propuesto utilizar mezclas de freones generalmente a base de dos
fluidos refrigerantes, siendo las más conocidas en sustitución del R 022 las
siguientes:
El empleo de estas mezclas presenta el problema de presentar diferentes
temperaturas de evaporación (mezclas zeotrópicas), aunque en algunos casos en
un cierto intervalo de temperatura pueden hacerlo al mismo tiempo (mezclas
azeotrópicas), como en el caso del prohibido R 502. La diferencia de las
temperaturas de evaporación se determina por un «coeficiente de deslizamiento",
de tal manera que cuando éste es menor de 5 K, la mezcla se llama
cuasiazcotrópica, otro inconveniente que tienen estas mezclas, se produce en los
casos de fugas, donde el fluido más volátil es el que primero abandona el circuito.
La sustitución de los freones prohibidos por los autorizados, también ocasionan
frecuentes problemas, debiendo recuperarse el fluido sustituido en recipientes
especiales, para proceder a su posterior destrucción en un establecimiento
especializado. Del mismo modo el aceite debe ser también sustituido, puesto que
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los CFC utilizan aceites minerales, mientas que los HFC son aceites de base éster
incompatibles con los anteriores, siendo admisible permitir un residuo máximo del
aceite sustituido del 3 por 100.
La destrucción de la capa de ozono (O3) por los freones, se debe a la
descomposición de estos por la luz, liberando el cloro o el bromo que contienen, y
transformando éstos el ozono en oxígeno, pudiendo un .átomo de cloro llegar a
destruir millares de moléculas de ozono. El ozono está situado en la troposfera a
unos 50 km de la superficie de la tierra, y tiene por misión filtrar las radiaciones
ultravioletas de la luz solar.
En caso de desaparecer, las consecuencias podrían ser muy graves para los seres
humanos. Se denomina ODP ( o z o n e d e p l e t i o n potential) o potencial de
destrucción de ozono, el poder que tienen los freones de degradar el ozono,
estableciéndose como unidad de medida la del R 01 1 con cl valor de la unidad.
Por otra parte, el efecto invernadero es otro de los problemas que pueden
derivarse del uso de estos fluídos. La radiación solar que recibe la tierra, parte
puede ser absorbida por la misma o por los seres que viven sobre ella, y otra parte
es devuelta al espacio en forma de radiación infrarroja. Algunos gases en la
atmósfera no permiten el escape de estas radiaciones, devolviéndolas de nuevo
hacia la superficie de la tierra, aumentando la temperatura de manera progresiva y
con consecuencias también nefastas para la humanidad. El anhídrido carbónico
(CO2) es el principal gas responsable de este efecto, pero también lo son los gases
frigoríficos, bien de una manera directa como tales, o bien indirectamente por el
desprendimiento de anhídrido carbónico generado en la producción de energía
eléctrica utilizada en el funcionamiento de los compresores frigoríficos.
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El efecto invernadero EID se denomina también GWP (global warmimg potential)
tomando como la unidad el propio gas carbónico mientras ue el Efecto Invernadero
Indirecto (EII) de las instalaciones de refrigeración son muy variables y depende
del sistema de producción de energía eléctrica de los países variando desde 0,005
a 1,100 kg de CO2/kWh, con un valor medio de 0,650 kg CO2/kWh. Pudiéndose
establecer entonces la siguiente ecuación:
El efecto invernadero global (EIG), también llamado TEWI (total environment
warming impact), será la suma del efecto invernadero directo e indirecto:
Otros inconvenientes que se señalan en
los freones, están en que los CFC y
HCFC expuestos en incendios al aire
pueden producir un gas letal llamado
fosgeno, mientras que los HFC pueden
transformarse en ácido fluorhídrico.
Además estos gases son indetectables y
pesan más que el aire pudiendo
acumularse en zonas bajas de edificios
y provocar accidentes por asfixia,
mostrando
las
estadísticas
unas
pérdidas de carga en circuitos
frigoríficos del orden del 10 al 30 % y
año. Las altas temperaturas también
pueden llegar a degradar estos fluidos
refrigerantes por la presencia de agua
en el circuito, o bien por virutas y óxidos, o por ultimo por un aceite degenerado
por el uso.
Otra posibilidad consiste utilizar los fluídos refrigerantes naturales, muchos de
ellos utilizados hace años y abandonados en la actualidad, volviendo el amoníaco
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a recuperar un protagonismo por no generar los problemas de destrucción de la
capa de ozono, ni tampoco por el efecto invernadero, aunque puede presentar
otros problemas de peligrosidad en su manejo,
El amoníaco (NH3) es también un fluído refrigerante también conocido como
R 717, que posee unos valores de ODP y GWP nulos, así como un TEWI también
muy reducido, por lo que resulta un refrigerante ideal desde el punto de vista del
medio ambiente, ya que como tal compuesto forma parte del ciclo natural del
nitrógeno en la biosfera, estimándose una producción anual del planeta del orden
de 3 * 109 toneladas de amoníaco. Además es un producto muy barato y de unas
propiedades refrigerantes superiores a la de los freones citados con anterioridad.
El problema que se plantea es su peligrosidad, pues las mezclas del amoníaco con
el aire son explosivas, siendo una concentración del 4 por 100 el límite de
seguridad práctico.
Aunque este gas es menos pesado que el aire, sin embargo cuando una fuga se
produce en aire húmedo, se forma un aerosol de sal de amonio, más pesado que el
aire y se puede entonces acumular en partes bajas de recintos poco ventilados. La
temperatura de ignición de la mezcla es bastante alta y del orden de 650° C, por lo
que debe existir un incendio previo o una chispa de gran potencia. Las fugas de
amoníaco son fácilmente detectables, debido a la formación de escarcha en el
lugar de desprendimiento y al fuerte olor sofocante que despide este gas.
El acero, el aluminio y el hierro son materiales compatibles con el amoníaco,
mientras que el cubre, el cinc y sus aleaciones no lo son, debiendo prestarse
especial atención a la construcción de las máquinas de refrigeración. Del mismo
modo la soldadura autógena siempre es preferible a la soldadura con aportación de
metales, y mejor las uniones embridadas en vez de las conexiones abocardadas.
Para compatibilizar el uso de este excelente fluido refrigerante con su
peligrosidad, se plantea en algunas grandes industrias, unificar en un solo lugar la
central de frío con amoníaco, aislándola del resto de las instalaciones y dotándola
de grandes medidas de seguridad, enviando el frío generado a los distintos puntos
de consumo, mediante los llamados fluidos refrigerantes secundarios. Estos fluidos
suelen ser soluciones de agua con determinadas sustancias, que hacen descender
notablemente la temperatura de congelación del agua. Antiguamente se utilizaban
salmueras de cloruro sódico o cálcico, mientras que en la actualidad se emplean
como productos anticongelantes, la glicerina, el etilenglicol (C2H6O2), el
propilenglicol (C3H802), el diclorometano (CH2Cl2), o el tricloroetileno (C2HCl3).
Nuevos anticongelantes se ofrecen en este sentido, como el benciltoluol, el
poliglicol, o el glicoéter, desarrollándose los llamados «fluidos bifásicos o
sorbetes», que son una mezcla de agua y cristales de hielo muy finos, donde
además del calor sensible, también se aprovecha el calor latente de la congelación.
4.1.2.-Compresores
El compresor es el elemento del circuito frigorífico encargado de comprimir el
fluido que circula por el mismo, gracias a la energía mecánica desarrollada por un
motor accionado generalmente por la energía eléctrica. La potencia del compresor
antiguamente se expresaba en caballos de vapor (CV), aunque actualmente se
mide en watios (W) o en julios por segundo (J/s) y también en kilocalorías por
hora (kcal/hora), pudiendo relacionarse estas unidades de la siguiente forma:
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Los compresores frigoríficos pueden clasificarse de acuerdo con dos criterios, el
primero de índole constructivo en compresores de pistones, también llamados
alternativos, o los compresores rotativos dentro de los cuales se encuentran los de
paletas, los de dos tornillos, y los de un tornillo. El segundo criterio responde a su
hermeticidad respecto de posibles fugas del fluido frigorífico, existiendo los
compresores herméticos, los semiherméticos, y los abiertos.
Los compresores herméticos, también llamados cerrados, son máquinas
donde el motor y el compresor están encerrados herméticamente dentro de una
carcasa generalmente metálica, que
impide cualquier posible fuga a l exterior del fluido frigorífico. Sin embargo estos
compresores presentan una serie de inconvenientes restringiendo su uso a
máquinas frigoríficas de pequeña potencia no superior a los 30 kW donde la
carcasa nunca supera los 500 mm de diámetro. Se utilizan principalmente
pura la refrigeración doméstica y comercial de pequeña potencia.
- Refrigeración deficiente del motor.
- Dificultades de mantenimiento y reparaciones.
- Recalentamiento del fluido frigorígeno y contaminación por residuos del
quemado del devanado de motor.
- Imposibilidad del uso de amoníaco como fluido refrigerante por la presencia
de cobre del motor.
Los compresores abiertos y semiherméticos están formados por dos conjuntos,
donde la carcasa del motor se une a la del compresor por medio de una junta
atornillada, o bien consiste en una carcasa monobloque que contienen ambos
elementos, con tapas en los extremos y culatas desmontables, pudiendo situarse el
estator del motor eléctrico en el exterior de la carcasa para evitar el contacto de
los devanados de cobre con el fluido frigorígeno. Este tipo de compresores no
presentan los inconvenientes señalados para los herméticos, pero las fugas de
fluido refrigerante pueden llegar a ser importantes. Se utilizan para la refrigeración
industrial de mayor potencia.
Compresores de pistones o alternativos
Estas máquinas están compuestas por uno o varios pistones que se mueven
alternativamente dentro de los correspondientes cilindros, llevando en su cabeza
una válvula de admisión y otra de escape, consiguiendo de este modo comprimir el
gas refrigerante procedente del evaporador y con destino al condensador. El
diagrama presión/volumen del proceso dibuja una figura en forma de trapecio
irregular, donde el lado 1-2 corresponde a la fase de compresión reduciéndose el
volumen y aumentando la presión, permaneciendo ambas válvulas cerradas,
seguida del
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Despiece de un compresor semihermético. (Tecnosa),
del lado 2-3 donde se produce la descarga del gas comprimido a través de
la válvula de escape que permanece abierta. Invirtiendo el movimiento del
pistón con ambas válvulas cerradas , se produce un vacío según el lado 3-4
del diagrama, para abrirse la válvula de admisión y permitir una nueva entrada de
gas refrigerante en el cilindro según el lado 4-1, para iniciarse iniciarse de nuevo
el ciclo de trabajo.
El pistón en su punto más alto
siempre deja un espacio entre
la culata y él mismo, que ser
del 3 a 8 por 100 de la máxima
capacidad en su punto más
bajo para compresores grandes
y del 5 a 15 por 100 en los de
pequeño tamaño.
La regulación de capacidad
de un compresor de pistones,
que permite regular el caudal
de fluido que circula por el
circuito frigorífico se puede
hacer
por
los
siguientes
métodos:
- Inutilizando uno o varios cilindros por apertura total de sus válvulas.
- Variando la velocidad del motor, entre una gama de velocidades desde 500 a
600 como mínimo, hasta una velocidad máxima de 2.900 r.p.m.
- En pequeños compresores se puede introducir en la cámara de compresión
parte del fluido comprimido, o bien inyectando vapor recalentado directamente en
el evaporador. El volumen teórico desplazado (Vb) por un compresor alternativo se
define de acuerdo con la siguiente expresión:
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El volumen o caudal realmente aspirado (Va) es siempre menor del volumen
teórico desplazado (Vb), dependiendo esta disminución del espacio muerto
antes citado, así como de la relación de compresión que nunca debe ser
superior a 6 o 10, y de la apertura o cierre de las válvulas, ligándose ambos
volúmenes por el coeficiente η v.
Va= Vb* η v
Las condiciones nominales
de trabajo de un compresor se
diferencian de las reales por
temperaturas
de
recalentamiento
y
subenfriamiento
del
fluido
frigorífico en cl diagrama
entálpico, que generalmente
se establecen respectivamente
en 18,0°C a 8,3° C. En cl
ejemplo diagrama entálpico
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adjunto para un
2-3-4, mientras
temperatura de
recalentamiento
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freón R 022, el diagrama real viene definido por el polígono 1que el teórico corresponde al A-B-C-D, funcionando con una
vaporización de -10° C y de condensación de +40° C. El
esta regulado a 6° C y el subenfriamiento a 4° C.
Los vapores son aspirados por el compresor en el punto 1 en lugar del
punto A, donde relación de compresión es igual, así como también la del
caudal volumétrico aspirado (Vb). por el contrario el volumen másico (Vm) es
sin embargo diferente en 1 que en A. Él caudal másico real aspirado (Dm)
será:
La potencia frigorífica nominal (Qo nominal) depende de la diferencia de los
valores de entalpía h entre los puntos A y D) del diagrama:
La potencia frigorífica real (Qo real) será por lo tanto lo la siguiente:
La diferencia de potencia frigorífica entre los valores nominal y real, pueden ser
de un 5 por 100, aunque en algunas ocasiones pueden llegar a ser del 20 por 100.
Cuando la relación de compresión es superior al valor de 8, entonces la
compresión se debe realizar en dos escalonamientos o etapas, haciéndose por medio
de dos compresores, uno de baja presión (precompresor o «booster») y otro de alta
presión, o bien asignado a determinados cilindros de un solo compresor la primera y
segunda compresión. Para evitar en estos sistemas un exceso de temperatura en la
descarga, se inyecta entre ambos compresores parte del fluido enfriado procedente
del condensador, o bien el enfriamiento se realiza colocando un refrigerador
intermedio abierto o de expansión.
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Compresores rotativos.
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Los compresores rotativos son máquinas que aspiran y comprimen el fluido
refrigerante una manera continua, siendo preferentemente utilizados respecto a los
alternativos, cuando precisan grandes potencias de refrigeración, presentando las
siguientes ventajas:
- Construcción sencilla y pequeño tamaño. Bancadas de apoyo más ligeras.
- Máquinas más seguras y de bajo coste de mantenimiento cada 20.000 a 40000 horas.
- Descarga del fluido en continuo, con capacidad de regulación de hasta el 10
por 100.
- Obtención de bajas temperaturas en la descarga y posibilidad de trabajar con
economizador.
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Los compresores de paletas consisten en un rotor de paletas que gira
excéntricamente dentro de un cuerpo cilíndrico, siendo muy poco utilizados por el
bajo valor de compresión que producen, así como por la fragilidad de las paletas,
que exige un mantenimiento bastante frecuente. Los compresores de doble tornillo
están construidos por una carcasa que contiene dos tornillos o rotores que giran en
sentido contrario, uno principal o rotor macho generalmente con 4 lóbulos, y el otro
secundario o rotor hembra de perfil conjugado con el anterior y de 6 acanaladuras,
siendo posible encontrar otras combinaciones, tales como: 3-4, 6-8, y 5-7. El fluido
penetra a través de una lumbrera de admisión, hasta que llena el espacio entre el
canal de un tornillo y el lóbulo del otro, que al girar ambos se comprime saliendo por
la parte contraria por una lumbrera de descarga. La regulación de la capacidad del
compresor se hace por
una corredera de regulación situada en la zona de
descarga, que reduce la salida de gas y lo hace retornar hacia la admisión. Estos
compresores no llevan válvulas, cerrándose, el espacio entre los tornillos por
una abundante inyección de aceite, que además contribuye a refrigerar el
fluído frigorígeno, consiguiéndose una temperatura de descarga baja, pero
precisando la instalación de un dispositivo separador de aceite y un radiador o
refrigerador del mismo. La relación de compresión puede llegar a ser de 20,
frente a un compresor de pistón donde está limitado al valor de 8.
El volumen aspirado (Vm) por un compresor de doble tornillo se puede calcular
como sigue:
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El rendimiento del ciclo de refrigeración puede mejorarse por el subenfriado
refrigerante que puede conseguirse haciendo retornar al compresor por parte
de éste una vez condensado y antes de entrar en el evaporador, por medio de
un enfriador intermedio de tipo abierto, o bien por un intercambiador de calor
intermedio, llegando a aumentar de este modo la capacidad de un compresor
en un 10 a un 30 por 100.
Los compresores monotornillo están construidos por un tornillo que gira entre
dos estrellas o coronas dentadas situadas a ambos lados del mismo, actuando
los dientes de las estrellas como dos pistones de un compresor alternativo. El
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control de capacidad se consigue por medio de un anillo deslizante que
contiene el tornillo y permite el retorno del gas comprimido hacia la admisión.
4.1.3.-Condensadores
El condensador es un elemento del circuito frigorífico que se sitúa a la salida del
compresor, teniendo por misión evacuar el calor absorbido por el evaporador,
además del equivalente térmico del trabajo de compresión, de tal manera que el
fluido frigorígeno accede a este aparato en forma de vapor a alta temperatura, y
sale del mismo licuado y a menor temperatura; siendo el calor transferido a otro
fluido: aire o agua, que circula a contracorriente, entrando a baja temperatura y
saliendo a una temperatura superior.
Siguiendo el diagrama de intercambios térmicos en un condensador, en primer
lugar se produce un desrecalentamiento de los vapores calientes procedentes del
compresor, luego la condensación de estos vapores a temperatura constante, y por
fin un subenfriamiento del fluido condensado, produciéndose al mismo tiempo un
calentamiento del fluido exterior de condensación. Cuanto mayor sea la superficie
de intercambio de calor, más pequeña será la diferencia entre las temperaturas del
fluido exterior y la de condensación del fluido frigorígeno, produciéndose una
mejora de rendimiento por reducción de la temperatura de condensación, aunque
si ésta es excesivamente baja se pueden producir problemas con la válvula de
expansión termostática.
La diferencia de temperaturas entre ambos fluidos debe situarse entre los 5° a
10° C para los condensadores refrigerados por agua, y entre 10° a 15° C para los
refrigerados por aire.
El calor a disipar por el condensador (Qc), puede fácilmente ser calculado
sumando la potencia frigorífica y la potencia absorbida:
Qc (kcal/hora) = Pot. frigorífica (kcal/hora) + Pot. absorbida (kW) * 860
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También podría haberse calculado aplicando las siguientes ecuaciones:
Condensadores refrigerados por agua
Los más utilizados son condensadores horizontales, que llevan una carcasa y
cabezales acero, conteniendo en su interior un haz de tubos aleteados y
construidos en cobre para mejorar la transmisión de calor. El fluido refrigerante
entra por la parte superior de la carcasa, encontrándose con el haz de tubos
enfriados por el agua que circula en su interior, y condensándose por la parte
exterior de los tubos, cayendo hacia la parte inferior del aparato.
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El cálculo de la superficie de condensación se puede hacer teniendo en cuenta las
temperaturas de condensación del fluido frigorígeno y la del agua de refrigeración,
aplicando caudales de agua del orden de 9 litros por minuto por cada tubo del
condensador.
El agua de refrigeración puede hacerse en la modalidad de «agua perdida»,
tomándola de aquellos lugares donde el agua es abundante, siendo una vez utilizada
devuelta a su origen en las mismas condiciones, pero con una temperatura
ligeramente mayor. La otra alternativa más común, es trabajar en la modalidad de
«agua recuperada», donde ésta se recicla refrigerándola en un aparato conocido
como torre de refrigeración o de recuperación. En estas torres, el agua caliente
procedente del condensador entra por su parte superior, cayendo a través de un
relleno que tiene por misión retener el agua en su caída y con una corriente de aire
circulando en sentido contrario, del orden de 100 a 150 m3/hora. La evaporación del
agua debida a su calor latente, enfría el agua sobrante acumulándose en la parte
inferior de la torre, donde una bomba la devuelve al condensador. Las pérdidas de
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agua son compensadas con un nuevo aporte, estimándose unas mermas de 0,002
litros de agua por cada kcal/hora.
La condensación por agua está en retroceso, debido a un mayor mantenimiento
de las torres de refrigeración por las incrustaciones que se producen sobre
todo cuando se utilizan aguas duras o bien por la formación de algas de en el
circuito de agua, de además de la peligrosidad de la añadida debida al cultivo de
microorganismos patógenos para la salud humana, como por ejemplo por la
bacteria Legionella.
Condensadores evaporativos
Son aparatos que combinan en un solo conjunto un circuito de condensación de
fluido refrigerante y una torre de refrigeración de agua, presentando por lo tanto
los mismos inconvenientetes señalados en las torres de recuperación de agua.
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Condensadores de aire
En la actualidad son los
condensadores más utilizados
por
su
sencillez
y
mantenimiento. Constan de
unas conducciones en forma de
serpentín por donde circulan el
fluido refrigerante a condensar,
siendo
enfriado
por
una
corriente de aire forzada por un
ventilador a una velocidad entre
3 y 10 metros/segundo. La
superficie exterior de los tubos
se aumenta mediante un aleteado, con una separación entre
aletas de 1 a 2 mm, siendo
conveniente
limpiarlas
periódicamente para mantener
el rendimiento del circuito de
frío y no consumir energía en
exceso.
Con estos aparatos el consumo de energía es algo más elevado que en los
condensadores refrigerados por agua, debido a que las temperaturas de
condensación son más altas, y además hay que sumar la energía requerida por los
ventiladores. Deben instalarse en lugares bien ventilados, preferentemente a la
intemperie, siendo el ruido que producen un aspecto también negativo. En zonas
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muy cálidas existe el problema de imposibilitar la condensación del fluído
refrigerante, por lo que su uso puede estar restringido.
4.1.4.-Evaporadores y válvulas de expansión.
El evaporador es un componente de la instalación que tiene por misión
transmitir frío o mejor dicho absorber el calor del circuito de producto a
enfriar. El fluido frigorígeno fluido
en forma
líquida procedente del
condensador se vaporiza dentro de una conducción, absorbiendo el calor del
fluido o producto a enfriar que circula por la parte exterior; evaporándose en
una primera etapa a temperatura
constante y en una segunda fase
de recalentamiento subiendo de
temperatura, antes de iniciarse
de nuevo el ciclo de refrigeración
en el compresor.
Los evaporadores se pueden
clasificar de varios modos, la
primera según su construcción
en evaporadores de aire y
evaporadores de liquido, y la
segunda atendiendo a la forma de evaporación del fluido frigorígeno, en
evaporadores «secos» y evaporadores «inundados».
En los evaporadores «secos», los vapores situados en la parte final de las
conducciones están secos y casi libres de gotas de líquido frigorígeno, mientras
que en los evaporadores «húmedos» también llamados «inundados» los
vapores de salida se encuentran saturados con una mezcla de pequeñas gotas
de líquido frigorígeno, siendo por lo tanto más apropiado referirse respectivamente a evaporadores de vaporización «completa» e «incompleta». En los
segundos, la presencia de líquido mantiene húmeda la superficie interna de las
conducciones, factor que mejora la transmisión de calor y además la limpia
mejor de restos de aceite.
La vaporización incompleta se consigue sobrealimentando de fluido
frigorígeno el evaporador, evaporándose tan solo un 20 a 25 por 100, pudiendo
hacerse por medio de una bomba o bien por acción de la gravedad situando el
depósito separador por encima del evaporador y controlado por una válvula de
flotador. En la vaporización completa, el suministro de fluido se hace por medio
de una válvula de estrangulamiento de regulación automática, actuando la
sección final de los tubos del evaporador como recalentadores. El
recalentamiento del fluido frigorígeno puede ser «útil» si el calor es absorbido
por el fluido a enfriar, o por el contrario puede ser «desperdiciado» si se hace
en la conducción de salida hacia el compresor o incluso enrollando ésta sobre el
compresor para refrigerarlo.
Evaporadores de aire
Estos aparatos únicamente sirven para la refrigeración ambiente de recintos
cerrados. Un serpentín o un conjunto de serpentines en cuyo interior circula el
fluido frigorígeno, recibe por su parte exterior una corriente forzada de aire por
un ventilador, aumentando la eficacia de la transmisión del calor por medio de
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un aleteado exterior de los serpentines. La corriente de aire es del orden de 5
metros /segundo, consiguiéndose un rendimiento frigorífico del orden de 20 a
25 W/m2 ºC para CFC o similares. La potencia del ventilador no excederá del 3
por 100 de la carga térmica total del evaporador, dimensionándose la superficie
de entrada y salida de aire con una relación I/7, y situándose preferentemente
el ventilador a la salida del evaporador para evitar la absorción del calor del
motor, que puede ser del orden de 360 kcal/kW o de 10 a 50 kc/m3 de cámara
frigorífica.El calor se extrae en forma de calor sensible, aunque también en
forma de calor latente
cuando se produce un
fenómeno
de
condensación
o
formación de escarcha
sobre el evaporador y
procedente
de
la
humedad del aire. Con
este
motivo,
estas
máquinas deben tener
una bandeja colectora de
agua situada en la parte
inferior, dotada de una
pendiente del 6 por 100
y prever una salida para la evacuación del agua ambiente condensada. Cuando
se forma escarcha sobre los serpentines, ésta debe ser periódicamente
eliminada para mantener una adecuada transmisión de calor; pudiendo hacerse
esta operación de desescarche de varias maneras:
- Inyección en los serpentines de vapores de refrigerante
recalentados.
- Calentamiento exterior con resistencias eléctricas.
- Fusión por pulverización exterior con agua caliente o glicolada.
- Invirtiendo el funcionamiento de la máquina frigorífica, convirtiéndose
temporalmente el evaporador en condensador.
- Corriente de aire comprimido mediante boquillas móviles.
Para calcular la potencia frigorífica de un evaporador de aire, se puede hacer
disponiendo un diagrama de aire húmedo tipo Mollier o Carrier, como el del
gráfico adjunto. La potencia gorífica (Qo) de un evaporador es:
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El gráfico representa la evolución del aire en un evaporador de aire en el
trayecto I a III, observándose un enfriamiento con condensación o formación de
escarcha. Entonces la potencia frigorífica se expresará como suma de los calores
sensible y latente:
El caudal de agua condensada o de escarcha depositada se estima en:
Para los evaporadores de líquido, se puede utilizar la siguiente fórmula simplificada:
Vb: caudal de agua (m3/hora).
tI y tIII: temperaturas de entrada y salida de agua (°C).
La situación de los evaporadores de aire dentro de los locales a climatizar, debe
hacerse siempre en la parte superior de los mismos, con objeto de que el aire frío
más denso que el aire caliente descienda hacia el suelo, y de este modo se consiga
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homogenizar las temperaturas. El llamado «efecto Coanda» hace que la corriente de
aire impulsado a gran
velocidad por un ventilador, tenga tendencia a
crear una depresión por
encima
de
ella,
manteniendo
de
este
modo el aire frío pegado al
techo durante un trayecto
bastante largo, lo que
aumenta el alcance de la
corriente o dardo de aire
frío. En este caso es
preferible situar el ventilador delante del evaporador, para evitar las turbulencias de
aire que reducen este efecto.
Una derivación de los evaporadores de aire son los frigorígenos húmedos, en los
cuales una corriente de agua fría pulverizada refrigera una corriente de aire que
circula forzada por u n v entilador, funcionado de manera inversa a una torre de
refrigeración, y con una relación volumen de aire/caudal másico de agua entre 1/1 a
1/1,5.
Evaporadores de líquido
Estos aparatos se emplean para la refrigeración directa de líquidos, bien mosto o
vino en la industria enológica, o bien agua como refrigerante intermedio para enfriar
luego los anteriores. En la mayor parte de los casos están formados por una
carcasa horizontal, que contiene
en su interior un haz de tubos,
razón por la que también se
denominan como evaporadores
multitubulares de envolvente. En
unas
ocasiones
el
fluido
frigorígeno circula y se vaporiza en
el interior de los tubos, circulando
el fluido a refrigerar por el
exterior, denominándose entonces
tipo «seco»; o en otras ocasiones
y por el contrario, el líquido a
enfriar es quien circula por interior
de los tubos, produciéndose la vaporización del fluido frigorígeno en la carcasa y por
la parte exterior del haz de tubos, denominándose entonces de tipo «inundado».
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Estos evaporadores se construyen de
cobre para obtener un buen
coeficiente de transmisión, y siempre
que
se
utilice
agua
como
refrigerante intermedio, pues no es
adecuado para circular directamente
mosto o vino por razón de la
contaminación con el cobre. La
temperatura mínima de refrigeración
de agua es de 3° a 5° C, para evitar
la formación de hielo en la superficie
de intercambio térmico; aunque en algunas ocasiones esta temperatura puede ser
inferior, si se utilizan soluciones con productos anticongelantes.
Cuando se pretende enfriar sin congelación directamente un líquido alimentario,
puede utilizarse un aparato conocido como intercambiador de calor de placas,
construido en acero inoxidable, y consistente en un bastidor donde se colocan un
conjunto de láminas situadas en paralelo y próximas entre sí para dejar un
determinado espacio, de tal modo que por los huecos pares circula y se vaporiza el
fluido frigorígeno, y por los impares en contracorriente circula enfriándose el líquido
alimentario. Los valores de transmisión de calor son muy elevados, del orden de
2.500 a 4.500 w/m2 y °C para amoníaco como fluido frigorígeno, y de 1.500 a 3.000
w/m2 y °C para CFC o similares. Dada su alta eficacia frigorífica, estos aparatos son
también utilizados para intercambiar calor entre dos líquidos a distinta temperaturas,
denominándose entonces como recuperadores de frío o de calor según casos.
En el caso de refrigeración de vinos para su estabilización tartárica, por debajo de
los 0° C y a temperaturas de -4° C a -6° C cercanas a su punto de congelación, los
evaporadores anteriormente descritos no pueden utilizarse, por la formación de
cristales de hielo en la superficie de intercambio. Para ello se utilizan los
evaporadores de líquido de cuerpo cilíndrico rascado, construidos en acero
inoxidable, y consistentes en dos cilíndricos concéntricos, donde en el espacio entre
ellos se produce la expansión directa del fluido refrigerante, mientras que en el tubo
central se hace circular el vino de lado a lado; refrigerándose al ponerse en contacto
con la pared de separación, e impidiendo la formación de manguitos de hielo en la
misma, que harían perder eficacia frigorífica al sistema, mediante un sistema
giratorio de 300 a 500 r.p.m. de paletas o rascadores. En el tratamiento de vinos se
puede ajustar el caudal de manera que la formación de hielo se haga en un
porcentaje del 5 a 10 por 100, no siendo en este caso necesario que todo el vino
circule por el
aparato, pues cada kg de hielo formado puede reducir Ia
temperatura de 73 litros en un ºC , o dicho de otro modo , la formación de un 5
por 100
de hielo enfriará el vino equivalente de 3.8ºC al derretirse. El
coeficiente de transmisión térmica de estos aparatos oscila entre 600 a 2.000
W/m2 y hora.
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Válvulas de expansión termostática
También conocidas como válvulas de estrangulamiento de regulación
automática, son unos elementos que se colocan en el circuito frigorífico,
inmediatamente antes del evaporador, y tienen por misión regular
automáticamente la entrada de fluido frigorígeno en el mismo. Las válvulas se
componen de una válvula propiamente dicha, que cierra contra su asiento, un
muelle regulable de presión, y un bulbo o ampolla lleno de un gas situado en el
exterior de la válvula. El equilibrio de presiones se establece como sigue:
Presión del bulbo = Presión de evaporación + Presión del muelle
Cuando la absorción de calor
desciende en el evaporador, el fluido
frigorígeno sale del evaporador más
frío y el gas del bulbo situado a la
salida del evaporador se contrae,
cerrándose válvula y reduciendo la
entrada de fluido en el evaporador.
Por el contrario, cuando existe mayor
demanda de absorción de calor, el
fluido frigorígeno sale del evaporador
más caliente, el gas del bulbo se
expande venciendo la resistencia del
muelle y abriendo la entrada de fluido
en el evaporador. La colocación del
bulbo en el circuito de frío es de vital
importancia para la regulación,
debiendo observarse las siguientes recomendaciones de instalación:
- Tramo horizontal del tubo de salida del evaporador y por encima.
- Buen contacto con el tubo.
- Aislamiento del exterior.
4.1.5.-Otros componentes
Además de los elementos citados en apartados precedentes, un circuito
frigorífico debe llevar otros componentes necesarios para el buen funcionamiento
del equipo. Entre ellos calle destacar el recipiente acumulador, las propias
conducciones, los separadores de aceite, el filtro deshidratador, y en algunas
instalaciones los enfriadores intermedios; siendo además dignos de consideración
otros elementos de regulación
como los manómetros
de alta y baja alta
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presión, el manómetro de aceite,
los presostatos regulables de alta y
presión, el presostato diferencial de aceite, válvulas de cierre manual, etc.
baja
Recipiente acumulador de fluido frigorígeno
Este recipiente se sitúa en la salida del condensador y antes de la válvula de
expansión termostática, teniendo por misión acumular una cierta cantidad de fluido
frigorígeno en estado liquido, para cumplir con las siguientes funciones:
- Asegurar la compensación de las variaciones de volumen del fluido de circuito,
motivadas por las diferentes temperaturas.
- Permitir la compensación de secuencias de apertura y cierre de la válvula de
expansión, que llena o vacía el evaporador de fluido frigorígeno.
- Posibilidad de almacenar todo el fluido frigorígeno de la instalación en las
operaciones de mantenimiento o reparación del equipo.
Filtro deshidratador
El circuito frigorífico no debe contener agua, debiendo instalarse
inmediatamente antes de la entrada en la válvula de expansión termostática, un
filtro deshidratador que no solamente retiene agua, sino también sustancias ácidas
producidas en el circuito, así como también otras impurezas como ceras, barnices,
parafinas, etc. procedentes del motor eléctrico del compresor. La capacidad de
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absorción de un deshidratador debe ser de 1 gramo de agua por cada kg de fluido
frigorígeno.
Los filtros deshidratadores están formados por un recipiente relleno de una
sustancia deshidratadora en forma de pequeñas bolas, situadas entre dos rejillas
comprimidas por un muelle que impida el movimiento y por lo tanto su erosión,
circulando el fluido refrigerante en sentido descendente.
Conducciones
Tienen por misión unir los diferentes componentes de la instalación frigorífica,
debiendo cumplir los siguientes requisitos:
- No producir pérdidas de cargas demasiado elevadas.
- No producir excesivas pérdidas térmicas, sobre todo en la zona de baja
temperatura.
- Permitir el retorno de aceite hacia el compresor.
- No originar retenciones de líquido.
En el circuito frigorífico las conducciones se dividen en cuatro tramos, debiendo
tener cada uno de ellos las siguientes características particulares:
- Tubería de descarga. Esta conducción une el compresor con el condensador,
siendo los vapores descargados calientes y a una velocidad de 5 a 20
metros/segundo para arrastrar fácilmente el aceite. Cuando el condensador
se sitúa por encima del compresor, la tubería debe estar sifonada para
almacenar aceite y evitar una acumulación de éste el compresor.
- Tubería de líquido. Esta conducción une el condensador con el recipiente
acumulador del fluido frigorígeno, debiendo circular éste a una velocidad entre
0,2 a 0,4 metros/segundo
-Tubería de alimentación
de líquido. Esta conducción une el recipiente
acumulador de liquido con la válvula
de expansión termostática. El fluído se
encuentra
subenfriado y en este tramo no deben existir vaporizaciones que
alterarían el funcionamiento de la válvula por lo que debe estar bien aislada, su
pérdida de carga será muy pequeña, y mejor en un tramo horizontal para evitar
diferencias de presión. La velocidad de circulación del líquido estará por debajo de 1
metro/segundo.
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-Tubería de aspiración. Esta conducción une el evaporador con el compresor,
circulando el fluido en forma de vapor frío, por lo que deben tomarse ciertas
precauciones para separar y recoger el aceite, devolviéndolo rápidamente al
compresor. En primer lugar, la velocidad de circulación debe ser rápida, del orden de
6 a 25 metros/segundo, para arrastrar el aceite depositado en las paredes del
evaporador y mejorar su eficacia de intercambio térmico. En segundo lugar, la línea
de aspiración debe estar situada por encima del evaporador, colocando en este
tramo un sifón que retenga el aceite separado del fluido frigorígeno, e incluso
repartir la aspiración en dos conducciones ascendentes. En tercer y último lugar, en
instalaciones frigoríficas grandes, se puede colocar a la salida de evaporador un
dispositivo separador de aceite, para acumularlo y devolverlo posteriormente al
compresor. Los fluidos refrigerantes tipo CFC y similares son capaces de solubilizar
aceite del orden de un 2 a 3 por 100.
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Enfriadores intermedios
En las instalaciones frigoríficas donde la compresión se hace en dos etapas con
dos compresores, el primero de baja presión y el segundo de alta presión, el fluido
frigorígeno puede ser refrigerado entre ambos por un enfriador intermedio, o bien
en otras instalaciones donde el compresor puede ser sobrealimentado por líquido
condensado, también se utiliza un dispositivo este tipo; situándolo después del
condensador y antes de la válvula de expansión termostática, pudiendo a la vez
cumplir la función de recipiente acumulador de fluido frigorígeno descrito con
anterioridad. En la mayor parte de las instalaciones son de tipo vertical cerrado,
empleándose en las grandes los sistemas horizontales cerrados.
4.2.-Aplicaciones enológicas del frío o del calor
Las aplicaciones del frío en la industria enológica se reducen fundamentalmente
a los siguientes casos: refrigeración de mostos para su desfangado, control de
temperatura de la fermentación alcohólica de las vendimias, estabilización de los
vinos por frío, y climatización de locales de conservación o crianza de los vinos. Sin
embargo la utilización del calor está prácticamente restringida al desarrollo de la
fermentación maloláctica de los vinos, y del mismo modo a la climatización de
locales de conservación o crianza de los vinos.
Es tal la importancia que hoy día tiene la tecnología del frío-calor, que no se
concibe una bodega sin una instalación de este tipo, la cual debe estar
correctamente bien dimensionada, y aprovechar la presencia de un equipo central
que sea capaz de aportar frío o calor a cualquier lugar y necesidad de las
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dependencias industriales o incluso también administrativas y sociales. En las
instalaciones donde la refrigeración o calentamiento se hace por medio de agua, se
establece un circuito entre la unidad productora de frío o calor y un depósito pulmón
isotermo, que tiene por misión acumular una importante cantidad de agua, con
objeto de regular su consumo en los lugares donde se necesite, y así evitar el
funcionamiento intermitente del compresor, que puede provocarle averías y un
elevado consumo de energía, funcionando de este modo de una forma continuada
con un aceptable rendimiento calorífico. El volumen de agua que puede contener
este depósito viene determinado por la capacidad de la instalación, estimándose del
orden de un litro de agua por cada 10 kcal/hora. Una sonda de temperatura situada
en el depósito pulmón, detecta el momento en el que la unidad se debe poner en
funcionamiento, a la vez que acciona la bomba de circulación situada entre ésta y el
depósito pulmón. Del mismo modo que cuando se produce una necesidad de frío o
de calor en cualquier instalación de la bodega, las sondas de temperatura
correspondientes toman la del agua del depósito pulmón, haciéndola circular por
medio de otra bomba y con la apertura de las electroválvulas que sean necesarias.
El calor desprendido durante la fermentación alcohólica o el del mosto refrigerado
en un intercambiador de calor, es absorbido por el agua de la instalación
acumulándose en el depósito pulmón, el cual es a su vez absorbido por el fluido
frigorígeno de la unidad y por fin disipado en la atmósfera en los condensadores
refrigerados por aire o calentando agua en los refrigerados por agua. Lo mismo
sucede pero a la inversa cuando se trata de calentar un líquido o un recinto de la
bodega.
4.2.1.-Refrigeración de mostos y vendimias
La refrigeración de los mostos
blancos o rosados, puede tener un interés
enológico para atenuar los procesos enzimático de oxidación o los de multiplicación
de los microorganismos, además de posibilitar el desfangado estático de los mismos,
realización de maceraciones prefermentativas en frío, o también para contribuir a
un mejor control de las temperaturas de de fermentación, con un inicio de la misma
desde temperatura s bajas. En el caso de vendimias tintas, su refrigeración puede
también ser válida para conseguir los dos últimos objetivos antes descritos,
aunque en el caso de las maceraciones prefermentativas en frío, también pueden
mediante la adición de nieve carbónica.
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La refrigeración de mostos generalmente muy cargados de sólidos en suspensión,
llegando incluso a vendimias en estado semisólido, se realiza con ayuda de un
intercambiador de calor tubular, con objeto de evitar las obturaciones producidas
por los materiales que acompañan a los mostos: hollejos, pepitas, fangos, etc. Estos
aparatos están formados por dos tubos concéntricos, circulando por el tubo central,
de diámetro interior entre 40 a 60 mm, el mosto o vendimia a refrigerar, y en
contracorriente por
el tubo exterior, de
diámetro
interior
entre 60 a 80 mm,
el agua enfriada a
3°
a
5°
C
procedente
del
depósito
pulmón
de la instalación.
De este modo se
consigue realizar la
transferencia
de
calor
en
las
paredes del tubo
central,
mejorándola
cuando
la
circulación
del
mosto y agua se
hace en régimen
turbulento, para lo
que se utilizan
velocidades
superiores a los
1,5
metros/segundo, o
las paredes se
construyen
corrugadas
para
aumentar
la
superficie
de
intercambio y también provocar turbulencias en los fluidos. Los intercambiadores se
construyen con tubos de 4 a 8 metros de longitud dispuestos en forma de serpentín,
unidos mediante codos de 180° que también contribuyen a aumentar las
turbulencias, y dotándolos de un aislamiento exterior para reducir las pérdidas de
frío.
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El cálculo de los intercambiadores de calor tubulares se realiza sobre la superficie
del tubo central, de acuerdo con la siguiente estimación:
Qm(kcal/hora) = C • 1 kcal/°C litro - (tem - tsm)
C:caudal de mosto o vendimia a refrigerar (litro/hora)
tem y tsm: temperaturas de entrada y salida de mosto (ºC)
Qm(kcal/hora) = S *K *Δtm
S: superficie del tubo central (m2).
Δtm: temperatura media logarítmica (°C).
K: coeficiente de transmisión de calor de un intercambiador tubular.
K=900 a 1.100 kcal/°C * m2*hora (1.000 a 1.200 W/°C * m2)
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Para los intercambiadores de calor de placas, el cálculo se realiza de un modo
similar al de los intercambiadores de tubos, haciendo únicamente variar el
coeficiente de transmisión de calor (K), que oscila entre valores de 1.300 a 2.600
kcal/°C * m2 * hora (1.500 a 3.000 W/"(' - m'). I intercambiadores de calor en
espiral, presentan unos valores de coeficiente de transmisión calor entre 1.000 a
1.200 W/°C - m'- para mostos y de 1.800 a 2.500 W/°C * m2 para agua.
4.2.2.-Control de las temperaturas de fermentación
Durante la fermentación alcohólica de los azúcares por las levaduras se produce
un desprendimiento de 40 kcal/mol, de las cuales 14,6 kcal/mol las utilizan las
levaduras para atender sus funciones vitales y las 25,4 kcal/mol restantes se
desprenden al medio calentándolo. De tal manera que si una molécula de azúcar
tiene 180 gramos, resulta un desprendimiento de calor de:
Esta cantidad de calor no se desprende instantáneamente, sino durante los días
que transcurre la fermentación alcohólica, pudiendo estimarse por lo tanto el calor
desprendido de uno o varios depósitos de fermentación (Qf kcal/hora), o mejor
dicho las necesidades de refrigeración en lo siguiente:
En los depósitos de fermentación de acero inoxidable, la absorción de este
calor puede ser realizada por una camisa de refrigeración, que además debe
compensar las pérdidas de frío en la zona de la camisa con el ambiente (Qc
kcal/hora), si ésta no está aislada, así como también en la superficie restante del
depósito también con el ambiente (Qd kcal/hora). Pudiéndose determinar la
superficie de la camisa (Sc m2) de acuerdo con el siguiente cálculo:
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Las camisas de refrigeración se sitúan en la parte alta del depósito, donde se
acumulan las mayores temperaturas y siempre por debajo del nivel del mosto,
colocándose algo más bajas en los de fermentación de tintos, debido al espacio
ocupado por el sombrero de hollejos, pudiendo dividirse en varias camisas en los
depósitos de gran volumen. En el caso de camisas de calentamiento, por ejemplo
para desarrollar la fermentación maloláctica, el cálculo se hace de un modo similar al
descrito, pero éstas se deben colocar en la parte inferior del depósito para conseguir
un adecuado reparto de la temperatura.
En bodegas antiguas con depósitos construidos con materiales tales como el
hormigón armado, tinajas de barro, tinas de
madera, o depósitos de acero revestido, el
control térmico de la fermentación alcohólica
puede hacerse mediante placas inmersas de
refrigeración, que se sumergen dentro del
mosto y colgadas de las bocas de los depósitos. En el interior de estas placas, circula el
agua fría por un circuito en forma de
serpentín, que absorbe las calorías
producidas por la fermentación de una
manera similar a una camisa exterior de
refrigeración. Dos tuberías colectoras de
Placas inmersas de refrigeración. (Pedia-Kreyer).
agua fría y caliente situadas por el exterior
de los depósitos, unidas a un grupo de frío y a un depósito pulmón de agua
refrigerada, completan la instalación junto a la automatización mediante sondas de
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temperatura sumergidas en el mosto. La anchura de las placas se limita a la de las
bocas u otras puertas los depósitos, con unas dimensiones aproximadas de 0,4 m y
una longitud comprendida entre los 1,5 a 3,0 m.
Existen pequeños grupos de frío portátiles, con unas potencias de
compresor
entre 4 y 10 C.V. que se utilizan para el control de la
fermentación alcohólica de pequeños depósitos de fermentación, donde un
serpentín con agitador se introduce por la boca del depósito y puede ser
trasladado de un recipiente a otro con gran facilidad, e incluso utilizándose en
depósitos isotermos, bien para la refrigeración de mostos o bien para la
estabilización tartárica de los vinos.
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En otras ocasiones las temperaturas de fermentación pueden ser controladas
mediante una simple ducha o cortina de agua, que es distribuida en la parte
superior del depósito por una tubería perforada en forma de anillo, cayendo en
forma de una delgada lámina por las paredes del cilindro, siendo recogida en
su parte inferior por una canal perimetral. Este sistema se puede utilizar en
fermentaciones de vendimias tintas para vinos de guarda, donde sus
temperaturas pueden ser relativamente elevadas, y en lugares donde exista
agua en abundancia, realizándose refrigeración por simple transmisión de calor
a través de las paredes del depósito, o bien aprovechando su calor latente de
evaporación (538,4 kcal/litro) a lo largo de la pared del depósito El cálculo del
caudal de agua (Ca) se realiza del siguiente modo:
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Las condiciones de refrigeración de los depósitos dependen de sus
dimensiones, especialmente en lo referente a su relación superficie/volumen,
enfriándose mejor aquellos recipiente de pequeño tamaño, así como también de
las condiciones exteriores, tales como la temperatura ambiente y la ventilación
o velocidad de circulación del aire entre los depósitos. Las corrientes de aire
pueden ser inducidas por la orientación del local de fermentación, siendo óptima
la alineación este-oeste, con una fachada fría y otra caliente, o bien forzando la
circulación por medio de equipos de ventilación instalados en la bodega al
efecto.
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Cuando las temperaturas exteriores son excesivamente elevadas, con
objeto de evitar un e x c e s i v o g a s t o
de energía
aplicado en la
refrigeración, conviene aislar los depósitos
de
fermentación
con un
revestimiento adecuado, de tal manera que se reduzcan las pérdidas de frío
haci a e l e x t e r i o r . La instalación de este aislamiento se realiza cuando cl
coste del mismo se sitúa por debajo del gasto energético durante la vida útil
del depósito. E n e s t a s c o n d i c i o n e s el diseño del lagar de fermentación
puede realizarse a la intemperie, reduciéndose notablemente el coste de
instalaciones en lo referente al apartado de obra civil.
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4.2.3. Estabilización de los vinos por frío
El mantenimiento de los vinos a temperaturas cercanas a su congelación,
constituye un importante herramienta para conseguir la estabilización de los
mismos frente a precipitaciones coloidales y especialmente frente a las sales
tartáricas. En las instalaciones tradicionales, el vino refrigerado se almacena
un determinado número de días en depósitos isotérmicos o en cámara
frigoríficas, existiendo otras instalaciones más modernas, donde la
estabilización se realiza en continuo, las cuales serán descritas más adelante.
La temperatura a de congelación (t c ,) se determina fácilmente conociendo
la graduación alcohólica de los vinos como sigue:
Tc(ºC) = - (% vol-1)/2
Existen otras formas de calcular esta temperatura, donde además del alcohol
hacen intervenir otros parámetros como el extracto seco:
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P: peso del alcohol (gramos/litro).
E: extracto seco (gramos/litro).
K: factor de corrección:
10% vol ⇒0,6
12% vol ⇒ 1,1
14% vol ⇒1,6
Nunca conviene alcanzar la temperatura de congelación, con objeto de evitar la
formación de hielo, por lo que la temperatura de tratamiento (tt) se calcula restando
0,5° C a las anteriormente calculadas, o bien aplicando la siguiente expresión:
El aislamiento de los depósitos isotérmicos se calcula teniendo en cuenta la norma
de no superar una pérdida de 1,5° C del vino almacenado durante un período de 7
días, con una temperatura interior de -5° C y una exterior de 20° C. En el caso de
un depósito cilíndrico, es preciso conocer su volumen (V m3) y su superficie (Sd m2),
de tal manera que la cantidad de frigorías perdidas se estiman como sigue:
El aislante del depósito debe poseer un coeficiente de transmisión de calor (K kcal/°C .
m2 . hora) suficiente para cumplir la siguiente relación:
El coeficiente de transmisión de calor (K kcal/°C . m2 . hora) de un determinado
material o conjunto de materiales que forman una pared, puede ser calculado con la
siguiente expresión:
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Los coeficientes de conductividad térmica de algunos materiales aislantes y de
construcción se estiman en los siguientes valores:
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Los aislantes modernos se basan en el principio de crear un material constituido
en su mayor parte por aire o un gas, encerrados en celdas de un material de baja
densidad y a imitación del corcho como material aislante natural. Las celdas de
poliestireno se llenan de aire, mientras que las de poliuretano y polisocianurato lo
hacen con un freón, y las de vidrio celular con gas sulfhídrico (SH2).
Los aislantes no deben absorber humedad, pues se puede condensar en su
interior en forma de agua, poseyendo ésta una conductividad térmica de 0,58 W/°C
. m que incide negativamente en las propiedades del material; debiéndose por lo
tanto colocar una barrera antivapor en la cara más caliente del aislante, que impida
la penetración de la humedad y su condensación e incluso congelación en el
interior del aislante producida por las bajas temperaturas interiores. Los criterios de
elección de un aislante se basan en los siguientes aspectos:
- Valor bajo de la conductividad térmica (λi).
- Reducido valor de su coeficiente de dilatación.
- Estabilidad del material en el tiempo.
- Impermeabilidad a penetración de la humedad.
- Elevada resistencia mecánica.
- Materiales a prueba de fuego: lana de vidrio y vidrio celular. El freón contenido
en las celdas del poliuretano, puede producir con el fuego gas fosgeno letal.
- Costo reducido, siendo de más baratos a más caros: lana de vidrio, poliestireno
expandido, poliestireno extruido, corcho, poliuretano, polisocianurato y espuma de
vidrio. La resistencia a la difusión del vapor de agua (µ) de los materiales aislantes,
viene definidas por la relación entre la cantidad de vapor transferido en una capa de
aire y la del aislante en cuestión, pudiendo alcanzarse los siguientes valores:
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En el cálculo de las c á m a r a s f r i g o r í f i c a s se permite como máximo unas
pérdidas de frío a través de los paramentos, del orden de 8 W/m2 0 7 kcal/m2 .
hora, que deben ser compensadas con la ayuda de un grupo de frío de refrigeración
ambiental. Debiéndose prestar especial atención a la construcción del suelo, pues
aunque la tierra desprende calor a razón de 1,0 a 2,5 W/m2 (0,9 a 1,1 kcal/m2 .
hora), se puede producir una bajada progresiva de su temperatura, ocasionando
importantes problemas de deformaciones estructurales. Para evitarlo la solera debe
ser aislada convenientemente e instalar en el subsuelo un sistema de calentamiento
por circulación de aire, agua caliente o por una resistencia eléctrica, que compensen
las citadas pérdidas de frío.
Sobre el material aislante del suelo se debe instalar una capa resistente de
rodadura, generalmente de hormigón armado por su cara inferior, que reparta la
carga puntual sobre una gran superficie de aislamiento e impidiendo su deformación.
En cámaras de gran tamaño se instalan válvulas de seguridad de sobrepresióndepresión, que tienen por misión igualar las presiones interiores con las exteriores,
evitando de este modo posibles deformaciones estructurales.
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4.2.4.-Climatización de locales
Para la regulación de temperatura de los distintos locales de la bodega
se utilizan los aparatos evaporadores de aire, donde se produce directamente la
expansión del fluido frigorígeno del equipo de refrigeración o bien también
mediante su condensación directa en los condensadores de aire para el
calentamiento ambiente. Aunque también se puede conducir el agua fría o caliente
desde la bomba de calor central de la bodega, climatizando los locales mediante la
instalación de aparatos tipo «fan coil» dotados de un serpentín aleteado por donde
circula el agua y un ventilador para el movimiento del aire. En ambos casos, un
termostato regulable completa la instalación , permite automatizar el funcionamiento
de la misma, consiguiendo mantener la temperatura a nivel deseado.
Además de la regulación de temperatura, en determinados locales destinados a la
crianza de los vinos en barrica, es conveniente alcanzar unos niveles adecuados de
h u m e d a d e n el ambiente , con objeto de reducir las mermas de los vinos durante
este proceso, y especialmente en aquellas situaciones de refrigeración donde el aire
se condensa en el evaporador y resulta excesivamente desecado. Para ello se puede
instalar un equipo humidificador ambiente, disponiendo de un determinado número
de boquillas difusoras de agua dentro del recinto de crianza, pudiendo ser
controlado del mismo modo por un higrostato regulable.
Los atomizadores funcionan con aire comprimido a una presión mínima de 6 bares
y un consumo de unos 50 litros por minuto y boquilla, realizando un efecto Venturi
sobre la misma donde el agua procedente de otro circuito es aspirada e impulsada,
formándose una niebla con gotas de un diámetro inferior a 10 micras, que se
evapora en el ambiente sin provocar condensaciones. El diámetro de la boquilla de
agua es de 0,2 a 1,5 mm según fabricantes, y con un caudal por boquilla de 4 a 5
litros por hora trabajando sin interrupción.
El aire comprimido debe estar perfectamente limpio, con total ausencia de aceite
y de otras partículas en suspensión, así como también desecado para evitar la
presencia
de
agua en su
circuito.
Del
mismo modo el
agua
estará
descalcificada y
filtrada,
con
objeto
de
anular
el
problema de la
obturación de las boquillas. El control del sistema se realiza con sensores de
humedad (higrostatos) que la regulan hasta niveles del 98 por 100, así como
también con sensores de rocío para evitar las condensaciones de agua.
En la climatización de los locales no sólo es importante suministrar el suficiente
caudal de aire limpio a la temperatura y humedad deseada, sino también obtener
una uniformidad de temperatura y humedad en todo el recinto, y todo ello sin que
se produzca una excesiva velocidad del aire. Para cada caso, se debe entonces elegir
el mejor sistema de difusión de aire, existiendo entre otros los siguientes métodos:
flujo pistón, mezcla, estratificación, y zonificación, siendo por ejemplo el segundo y
tercero los más adecuados para una crianza en barrica.
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4.3.-Cálculo
de
las
necesidades de frío o de
calor de una bodega
necesidades de climatización ambiental.
El cálculo del equipo de
refrigeración o bomba de
calor de la bodega se realiza
en primer lugar para atender
las
necesidades
de
refrigeración en vendimia, y
una vez estimada su potencia
se comprueba su utilización
para
una
eventual
fermentación maloláctica y
para la estabilización tartárica
de los vinos, pudiendo
comprobarse
además
su
utilización
para
otras
4.3.1.-Necesidades de refrigeración en vendimia
Para el cálculo de las necesidades de refrigeración en vendimia se precisa
conocer algunos datos previos de dimensionado, tales como la cantidad de vendimia
o mosto a procesar, la duración de la vendimia, la jornada laboral de trabajo en la
bodega, y las condiciones térmicas de la fermentación, así como las temperaturas de
la vendimia y las ambientales de la bodega.
Refrigeración del mosto o la vendimia (Qm kcal/hora)
La refrigeración de la vendimia o del mosto se realiza mediante la utilización de
un intercambiador de calor tubular, enfriando directamente el mosto blanco o
rosado obtenido del escurrido y prensado de la vendimia; o bien en el caso de
vendimias tintas, refrigerando su mosto en circuito cerrado con la vendimia
encubada, consiguiéndola enfriar de este modo de una manera indirecta.
B: cantidad de vendimia (kg).
R: rendimiento mosto/vendimia o vendimia despalillada (%)
D: duración de la vendimia (días).
J : jornada laboral (horas/día).
Qm (kcal/hora) = Cm (litros/hora) - 1 kcal/°C litro - (te - ts) °C
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Refrigeración del mosto o vendimia en fermentación (Qf kcal/hora)
La refrigeración de los depósitos de fermentación se realiza absorbiendo el calor
producido por la fermentación de los azúcares, mediante la circulación de agua fría
por camisas de refrigeración, o mediante placas inmersas de refrigeración, o por
medio de una ducha exterior de agua
Vm: volumen de mosto en fermentación (litros).
A : riqueza en azúcares del mosto (kg/litro).
T : duración de fermentación (horas).
En el caso de fermentación de vendimias tintas, únicamente se debe considerar el
volumen de mosto que éstas contienen y sin tener en cuenta los hollejos o pepitas
también encubados. El tiempo de fermentación se estima en 5 a 7 días y en
continuo durante 24 horas diarias.
Calor absorbido por desprendimientos de gases o vapores (Qg kcal/hora)
Durante la fermentación alcohólica se produce un importante desprendimiento de
anhídrido carbónico, así como también de vapores de agua y alcohol especialmente
durante las operaciones de remontado, que absorbiendo calor contribuyen a
refrigerar la masa de vendimia o mostos en fermentación.
Qg (kcal/hora) = QCO2 (kcal/hora) + Qagua (kcal/hora) + Qalcohol (kcal/hora)
- Absorción de calor por evaporación de CO2:
Vm: volumen de mosto en fermentación (litros).
A : riqueza en azúcares del mosto (kg/litro).
tt: temperatura de fermentación (°C).
T: duración de la fermentación (horas)
QCO2 = (Vm * A * tt)/9,0 * T
- Absorción de calor por evaporación de agua:
Vm: volumen de mosto en fermentación (litros).
A : riqueza en azúcares del mosto (kg/litro).
tt: temperatura de fermentación (°C).
T: duración de la fermentación (días)
P'v: presión de vapor saturante del agua sobre el vino:
41,13 mm de Hg a 35 °C.
12,27 mm de Hg a 18 °C.
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- Absorción de calor por evaporación de alcohol:
Vm: volumen de mosto en fermentación (litros).
A : riqueza en azúcares del mosto (kg/litro).
tt: temperatura de fermentación (°C).
T: duración de la fermentación (horas)
P'v: presión de vapor saturante del alcohol sobre el vino:
1,92 mm de Hg a 35 °C.
0,62 mm de Hg a 18 °C.
Refrigeración por pérdidas de calor en paredes del depósito (Qd kcal/hora)
Cuando la temperatura ambiente es superior a la de fermentación del mosto o
la vendimia, se produce una absorción de calor hacia el interior del depósito,
precisándose un aporte suplementario de frío para compensarla. Por el contrario,
cuando la temperatura ambiente es inferior a la de fermentación, la absorción de
calor se hace en sentido inverso, contribuyendo en este caso a su refrigeración.
Sd: superficie total del depósito (m2).
tf: temperatura de fermentación (°C).
ta: temperatura del ambiente (°C).
K: coeficiente de transmisión de calor de las paredes del depósito (kcal/°C • m2
• hora).
Qd (kcal/hora) = K (kcal/°C • m2 • hora) • Sd (m2) • (ta - tf) °C
El coeficiente de transmisión de calor de las paredes del depósito (K) se
evalúa con la misma expresión utilizada en el cálculo de aislantes.
En la práctica este coeficiente de transmisión se calcula en función del valor de he
aplicando la siguiente tabla.
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Recuperación de calor por adición de mosto frío (Qr kcal/hora)
En el caso de realizar un desfangado por frío a una temperatura inferior a la de
fermentación controlada, la adición de estos mostos fríos sobre los mostos en
fermentación, contribuyen a su refrigeración.
Vm: volumen de mosto en fermentación (litros).
A : riqueza en azúcares del mosto (kg/litro).
ts: temperatura de mosto desfangado (°C).
tt: temperatura de fermentación (°C).
T: duración de la fermentación (horas)
Balance de necesidades de refrigeración (Q kcal/hora)
Q (kcal/hora ) = Q m (kcal/hora) + Q f (kcal/hora) – Qg
(kcal/hora) + + Qd (kcal/hora) - Qr (kcal/hora)
Durante la vendimia, la unidad de refrigeración produce agua fría a una
temperatura de 4º a 5° C por encima de 0° C, que es conducida a los puntos
donde se precise una absorción de calor siendo posteriormente devuelta al
depósito pulmón y después a la misma unidad de refrigeración a una temperatura
superior entre 10° y 12° C. La utilización de anticongelantes para bajar la
temperatura del agua refrigerada y así evitar los peligros de congelación en el
evaporador, no es aconsejable por los riesgos sanitarios que conlleva su
utilización.
La potencia del compresor necesario para producir la refrigeración calculada,
se estima e n los siguientes valores:
4.3.2.-Comprobación de calentamiento para la fermentación maloláctica
En el caso de disponer de una bomba de calor, una vez determinada la potencia
frigorífica para las necesidades de vendimia, se comprueba si el mismo equipo es
capaz de calentar agua hasta una temperatura de 35° a 40° C disponible para
realizar la fermentación maloláctica, cosa que normalmente así ocurre.
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Los depósitos donde se desarrolla la fermentación maloláctica deben estar
dotados de una segunda camisa situada en su parte inferior; instalándose en la
bodega algunos de ellos, consiguiendo de este modo una rotación de depósitos a lo
largo del período de su ejecución. Las rotaciones que se realizan oscilan entre 2 y 4,
lo que permite hacer la fermentación maloláctica en uno o dos meses teniendo en
cuenta una duración de la misma de unas dos semanas.
Calentamiento del vino (Qv kcal/hora)
El calentamiento del vino hasta la temperatura óptima de la fermentación
maloláctica se hace por medio de un intercambiador de calor tubular o de placas de
mejor rendimiento.
V: volumen de vino de un depósito (litros).
N: número de depósitos.
tf = ts: temperatura de la fermentación maloláctica: 20° a
22° C.
te: temperatura de entrada del vino (°C).
T: duración de la fermentación maloláctica:
14 días * 24 horas/día = 336 horas.
Calentamiento por pérdidas de calor en las paredes del depósito (Qd
kcal/hora)
N: número de depósitos.
Sd : superficie total del depósito (m2).
ta: temperatura ambiente (°C).
tt- ts: temperatura de la fermentación maloláctica: 20° a 22° C.
K: coeficiente de transmisión de calor de las paredes del depósito (kcal/°C . m2 *
hora).
Qd (kcal/hora ) = N * Sd (m2) * K (kcal/°C * m2 * hora) - (tr - ta °C )
Balance de las necesidades de calentamiento (Q kcal/hora)
Q (kcal/hora) = Qv (kcal/hora) + Qd (kcal/hora)
4.3.3-Comprobación de la refrigeración para la estabilización tartárica.
En la estabilización tartárica por el sistema tradicional, el vino refrigerado a una
temperatura cercana a su punto de congelación es tabulado en un depósitos
convencional dentro de una cámara isoterma, permaneciendo en ellos un
determinado número de días, hasta que se insolubilizan las sales del ácido tartárico
por encima de su producto de solubilidad en el vino.
Con objeto de transformar este sistema discontinuo en otro de tipo continuo y
de mejor r e n d i m i e n t o , se disponen de varios depósitos de estabilización del
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mismo volumen
y generalmente en igual número más uno a los días de
estabilización ; llenando uno de ellos al mismo tiempo que se vacía otro ya
estabilizado, consiguiendo de este modo y con ayuda de un intercambiador de calor
de placas, un importante ahorro de energía y tiempo, ya que el vino antes de entrar
en la unidad la unidad de frío es preenfriado con el vino que sale estabilizado.
El equipo de refrigeración debe utilizar un evaporador de cuerpo cilíndrico
rascado, debido a la formación de hielo en su superficie de intercambio al pasar el
vino directamente a través de él y a las bajas temperaturas del tratamiento (-4° a 6°C). En estas condiciones de funcionamiento, con una temperatura de vaporización
del fluido frigorígeno más baja que cuando se enfriaba agua para la vendimia, la
potencia frigorífica del equipo se reduce en estas condiciones aproximadamente a la
mitad, cuestión que debe tenerse en cuenta a la hora de comparar ambas
necesidades o potencias frigoríficas.
Planteando una campaña de estabilización tartárica para un determinado volumen
de vino (P litros), durante un período de tiempo (D días), y con unos determinados
días de estabilización (d días); así como bajo la hipótesis de llenar un depósito
diario, vaciando otro con vino estabilizado para recuperación, se puede calcular el
número de depósitos necesario (N depósitos) para realizar la estabilización tartárica,
así como el volumen de cada uno de ellos (V litros).
La potencia frigorífica (Q kcal/hora) necesaria para alcanzar la temperatura de
estabilización (tt °C), se calcula teniendo en cuenta el volumen (V litros) unitario de
un depósito isotermo, el tiempo diario dedicado a esta operación (T horas), y la
temperatura de entrada de vino en el evaporador de cuerpo cilíndrico rascado del
grupo de frío; teniendo en cuenta si ha existido o no un preenfriamiento por
recuperación con un intercambiador de placas. Para comparar esta potencia
frigorífica con la calculada en refrigeración de agua en vendimia, basta con
multiplicar la primera por dos.
V: volumen de vino de un depósito (litros).
tel: temperatura de entrada de vino sin preenfriamiento (°C).
te2: temperatura de entrada de vino con preenfriamiento (°C).
tt: temperatura de tratamiento (°C).
T: duración de llenado del depósito (horas).
La superficie del intercambiador de placas determina la temperatura de salida
del vino preenfriado (te2 °C), o por el contrario en función de ésta se puede calcular
la superficie del intercambiador, todo ello siguiendo los cálculos detallados en el
apartado precedente.
5.- CONDICIONES AMBIENTALES DE LOS LOCALES DE LAS BODEGAS
Las condiciones ambientales óptimas de los distintos locales de las bodegas,
varían de unos a otros en función de las condiciones de trabajo para las personas y
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de las mejores situaciones para el almacenamiento o crianza de los vinos, pudiendo
encontrarse en las industrias vinícolas las siguientes dependencias:
-Zona de descarga de vendimia.
-Procesado de vendimia y fermentacion alcohólica.
-Almacenamiento de vinos a granel.
- Crianza en barrica.
- Embotellado, etiquetado y embalado de vinos.
- Crianza en botella.
- Almacenes de materiales y productos terminados.
- Oficinas y servicios.
Los regímenes de temperatura y humedad son los principales factores
ambientales que se precisan controlar en los distintos locales de la bodega, pero
además son también de tener en cuenta en algunas dependencias, los niveles de
iluminación necesarios para un adecuado trabajo, y la total ausencia de olores
extraños, eliminados en algunos casos por una adecuada ventilación, y en otros
casos por el control de los distintos materiales de construcción o de almacenamiento
dentro de la bodega. Las vibraciones o trepidaciones de los locales son también
especialmente importantes en los locales de crianza de los vinos, aunque
normalmente en las bodegas no suelen producirse problemas de este tipo.
5.1. Temperatura
Antes de definir los niveles de temperaturas óptimos en las distintas dependencias,
es importante señalar que las bodegas están sujetas a la normativa sobre las
condiciones térmicas de los edificios, en los cuales se define un valor denominado
como Coeficiente de transmisión global de calor (KG Kcal/ºC. m2.hora) a través del
conjunto del cerramiento: debiendo alcanzar un valor inferior a lo señalado en la
siguiente la tabla y en función del lugar de ubicación del edificio en el mapa de
zonificación por grados/día y año.
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Cuando existen valores intermedios del factor de forma, la KG se calcula aplicando
la siguiente fórmula:
KG = a (3 + 1/f), donde «f» es el factor de forma del edificio y «a» es un
coeficiente que se obtiene de la siguiente tabla y en función del lugar de ubicación
en el mapa de zonificación por grados/día y año.
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El cálculo del valor de KG se realiza en primer lugar sumando los valores parciales
de transmisión de calor de los distintos cerramientos del edificio, partiendo de la
superficie de cada uno de ellos (S m2) y de los distintos valores de los coeficientes
de transmisión de calor de los materiales utilizados en su construcción (K kcal/°C .
m2 . hora), aplicándoles un coeficiente corrector que oscila entre los siguientes
valores:
Los valores de los distintos coeficientes de transmisión térmica (K kcal/°C . m2 hora) de los materiales, no serán superiores a los señalados en la siguiente tabla,
que viene dada en función del tipo de cerramiento y del mapa de zonificación por
temperaturas mínimas de enero.
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Una vez obtenida la suma de los valores S. K (K kcal/°C . hora) de los
cerramientos, se divide entre la superficie total del edificio (m2), obteniéndose el
valor de KG, el cual será inferior a los límites citados con anterioridad, en función
deltipo de local y de su factor deforma (f m -1).
El factor de forma del edificio se calcula dividiendo la superficie del total del
edificio entre el volumen del mismo.
Las temperaturas a mantener en el ambiente interior de los edificios, que podrán
servir para el cálculo de condensaciones, vendrán definidas por los siguientes
valores:
La diferencia de temperatura entre el ambiente de los locales, medida en su centro
a 1,5 metros de altura, y la de la superficie interior de los cerramientos no será
superior a 4ºC.
La temperatura de las zonas de oficinas y servicios debe ser la necesaria para
conseguir el bienestar de las personas que desempeñan trabajos con pequeña
actividad física, por lo que el óptimo se sitúa entre los 20° a 25º C. En los locales
donde el esfuerzo físico de los trabajadores es superior, y no existen otros
requerimientos respecto de la calidad del vino, la temperatura puede alcanzar un
mínimo de 15° C y un máximo de 25° C. Sin embargo en aquellas dependencias
donde el vino exige unas adecuadas temperaturas de conservación o de crianza, la
temperatura en la medida de lo posible debe ser constante a lo largo del año y con
un óptimo comprendido entre los l2° a 15° C. Estas últimas condiciones afectan a
locales de almacenamiento de vinos; a granel, crianza de vinos en barrica y botella,
y también a los almacenes de producto terminado.
En cuanto al recinto de fermentación alcohólica, es una buena norma que se
encuentre a una temperatura más bien baja, para facilitar el control de la
temperatura de fermentación. Por último, en cuanto al embotellado de los vinos, se
debe tener en cuenta su temperatura para nivelar adecuadamente las botellas antes
de su taponado, así como también en su etiquetado, para evitar condensaciones de
humedad en e1 exterior de las botellas, que impedirían un correcto pegado de las
etiquetas o las podrían estropear al humedecerlas.
5.2. Humedad
Para medir la humedad del ambiente, generalmente se utiliza el término de
humedad relativa (Hr %), que expresa la cantidad de agua que contiene una
atmósfera en relación con la misma si estuviese a saturación. También se define
como la relación existente entre la presión parcial del vapor del agua (Pv) y la
presión de saturación (Ps).
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HR (%)=Pv/ Ps * 100
La humedad relativa en el interior de los locales en general, no será habitual
mente superior a1 75 por 100, a excepción de otros locales como cocinas o aseos,
donde eventualmente se puede llegar a1 85 por 100. En las bodegas existen dos
recintos donde es importante controlar los niveles de humedad, uno por defecto en
la zona de etiquetado y embalado, donde se pueden producir condensaciones de
agua sobre las botellas más frías que la temperatura del ambiente, y el otro por
exceso en los locales de crianza en barrica y almacenamiento de vinos en tinas de
madera
La humedad ambiente en la estancia o crianza de vinos en madera, regula el nivel
de sus pérdidas o mermas, así como también la composición de los vinos que
contienen, ya que la madera se comporta como un material poroso y permite la
evaporación del agua o del alcohol mayores o menores cantidades. Cuando la
humedad es relativamente baja, las mermas son abundantes, sobrepasando el nivel
del 10 por 100 anual en barricas bordelesas, aunque el vino se concentra con una
mejora de la calidad, debido a una importante pérdida de agua respecto de la de
alcohol, al ser más afín con los vasos conductores de la madera. Por el contrario,
cuando la humedad es elevada, las mermas se reducen a niveles inferiores al 3 por
100, obteniéndose una disminución de la graduación alcohólica, debido a las
condensaciones de agua en el vino que compensan en parte las pérdidas a través de
la madera.
Un adecuado nivel de la humedad relativa en la crianza de los vinos, que por una
parte trata de evitar las excesivas pérdidas, y por otra mantener la calidad de los
mismos, puede ser del orden del 80 por 100 y siempre que no se produzcan
condensaciones de agua sobre las instalaciones de crianza, para evitar las
formaciones de mohos en los paramentos y sobre los recipientes de crianza.
Para el cálculo de la condensación en los diferentes cerramientos de los edificios,
se hace teniendo en cuenta una humedad relativa exterior del 95 por 100 y unas
temperaturas mínimas determinadas en el mapa de zonificación por temperaturas
mínimas de enero antes descrito
5.3.- Iluminación
La iluminación de las distintas dependencias de las bodegas tiene como principal
misión permitir el desarrollo de los trabajos con comodidad; aunque en
determinados locales puede tener incidencia en la calidad de los vinos almacenados.
Las principales magnitudes que se utilizan en la iluminación de los locales, son la
candela como medida de intensidad luminosa, el lumen como medida del flujo
luminoso, y el lux como medida de la iluminación.
- Candela (I). Es la cantidad física básica internacional en todas las medidas de
luz, estando su valor determinado por la luz emitida por un patrón de
laboratorio llamado cuerpo negro, trabajando a una temperatura específica.
- Lumen (0). Es la luz emitida por unidad de tiempo. Un lumen es el flujo de luz
que incide sobre una superficie de un metro cuadrado, la totalidad de cuyos
puntos dista un metro de una fuente puntual teórica que tenga una intensidad
luminosa de una candela en todas direcciones.
- Lux (E). Es la densidad del flujo luminoso sobre una superficie. Un lux es la
iluminación en un punto de una superficie que dista, en dirección
perpendicular, un metro de una fuente puntual uniforme de una candela. De
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esta definición se deduce que un lumen uniformemente distribuido en un metro
cuadrado de superficie, produce una iluminación de un lux.
Lux = lúmenes/m2.
Los niveles recomendados para los locales de las bodegas se estiman en las
siguientes cantidades:
La presencia de luz permanente en locales que contienen vino embotellado no es
nada conveniente, pues se pueden producir alteraciones inducidas o catalizadas por
las radiaciones luminosas, afectando sobre todo a los vinos blancos y especialmente
en botellas con cristal incoloro. La activación de la «quiebra cúprica» en los vinos
blancos por el efecto de la luz, es un fenómeno conocido desde antiguo, pero
últimamente se ha investigado la presencia en los vinos de compuestos azufrados de
olor desagradable, en vinos que han permanecido bajo el efecto de la luz,
produciéndose una alteración aromática conocida como «sabor de luz».
Este fenómeno se produce cuando el vino se encuentra a una temperatura
superior de 20° C y está embotellado en botellas de vidrio que reciben la luz solar o
determinados tipos de luz artificial. Intervienen en el desarrollo de este proceso las
pequeñas cantidades de vitamina B2 que contienen los vinos y los aminoácidos
azufrados del vino, como la metionina, transformándose los últimos en compuestos
de olor desagradable como el metionol de olor a coliflor cocida o el dimetilsulfuro de
olor a humedad. Para evitarlo basta con utilizar botellas de vidrio que absorban las
radiaciones luminosas, siendo las más peligrosas las cercanas a una longitud de
onda de 370 nm, también añadir a los vinos ciertos aditivos autorizados como el
ácido ascórbico o vitamina C, almacenar los vinos embotellados en lugares oscuros e
impedir en estos locales la instalación de lámparas fluorescentes que emiten luz en
la citada longitud de onda.
5.4.-Ventilación y olores extraños.
La ventilación de los locales de elaboración o crianza de los vinos puede ser
interesante o necesaria, en determinadas circunstancias. Así, en los locales donde
se realiza la fermentación alcohólica,
las corrientes de aire entre los depósitos,
aumentan el coeficiente superficial exterior de transmisión de calor (hc) y por lo
tanto el coeficiente de transmisión de Calor del material de su construcción,
contribuyendo a aumentar las pérdidas de calor a través de sus paredes y por lo
tanto a la refrigeración de la vendimia o del mosto, pudiendo multiplicarse por 10
respecto del ambiente en calma, cuando la velocidad del aire alcanza los 5 metros
por segundo.
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En estas mismas dependencias, también es muy importante estudiar las
corrientes de ventilación, con objeto de evacuar el anhídrido carbónico generado por
la fermentación alcohólica depositado en las zonas bajas de los edificios, debiendo
preverse aberturas hacia el exterior que evacuen este gas, o mejor corrientes de aire
entre una fachada fría y otra caliente, con una orientación de la construcción en
sentido norte-sur, o bien de manera forzada mediante ventiladores o extractores de
gas carbónico, pudiendo funcionar de una manera automática con un medidor de la
presencia de este peligroso gas. Las condiciones sanitarias exigen un contenido
máximo de anhídrido carbónico del 0,5 por 100 en la atmósfera, que equivale a
5.000 ppm o a 9.000 mg/m3, lo que supone introducir una cantidad de aire fresco
de unas 24,75 veces el volumen de anhídrido carbónico desprendido en la
fermentación, el cual es del orden de 56 litros por cada litro de mosto de 210
gramos/litro de riqueza de azúcares.
La renovación de aire en otros locales de la bodega puede tener un gran interés
de cara a evitar las posibles condensaciones de humedad sobre los paramentos,
especialmente en los recintos donde la humedad debe ser elevada, como en los
almacenes de crianza o almacenamiento de vinos en madera, debiendo la
ventilación estar bien estudiada, afectando únicamente a las citadas superficies, y
no directamente a las barricas, donde se pueden producir fugas por una pérdida da
de hermeticidad de la madera. La ventilación también tiene un importante aspecto
en la evacuación de posibles olores extraños que pudieran contaminar los vinos,
siendo muy sensibles a su adquisición, especialmente en aquellos recintos
contaminados donde se manipulan los vinos y estos pueden tomar fácilmente los
olores que contiene el ambiente.
En este sentido, un grave problema que se ha detectado en algunas bodegas en
los últimos años, ha sido la aparición de vinos embotellados con «sabor a tapón o
corcho», donde se puede distinguir el «verdadero gusto a tapón», del simple «sabor
a moho o a humedad» que no tiene porqué proceder de este sistema de cierre. En
el primero no está muy claro de explicar su origen, pero parece ser que procede de
la acción de ciertos mohos sobre la corteza de los alcornoques, especialmente en las
partes bajas que tocan al suelo, o asociándolo al conocido de defecto cl corcho
conocido como «mancha amarilla».
El segundo constituye la forma más frecuente de manifestarse el sabor a tapón,
pero que como veremos seguidamente, no tiene por qué corresponder con un
defecto derivado del corcho pero sin embargo históricamente apareció en este
elemento y motivado por una defectuosa manipulación en las industrias corcheras.
Los materiales absorbentes tratados con compuestos clorados, buscando blanquear
su superficie o desinfectarla frente a posibles insectos parásitos como puede ser el
corcho, la madera, el cartón, etc., en un ambiente húmedo pueden producir el
desarrollo de ciertos hongos, entre los que destaca el Penicillium frecuentans y
transformar los clorofenoles inodoros, en otros compuestos con olor a humedad
conocidos como cloroanisoles
Estos cloroanisoles en cantidades muy pequeñas, pueden pasar directamente del
corcho defectuoso al vino o bien proceder de otros materiales, difundiéndose por la
atmósfera de los recintos cerrados donde se almacena el vino y siendo capaces de
disolverse en el mismo, atravesando barreras a veces inverosímiles, como puede
ser un tapón de corcho sano. Los compuestos más conocidos son el TCA (2,4,6
tricloroanisol) de 4 a 10 nanogramos por litro de umbral de percepción, el TeCA
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(2,3,4,6 tetracloroanisol) de umbral de percepción de 150 nanogramos por litro
y el PCA (2,3,4,5,6 pentacloroanisol )
menos problemático y de 4.000
nanogramos por litro de umbral de percepción.
Evitando el tratamiento de los tapones de corcho con compuestos clorados, así
como eliminando de la bodega todos aquellos materiales que pudieran estar
contaminados de cloro, especialmente maderas (palets, jaulones de botellas, vigas,
artesonados, etc); junto a otras medidas complementarias como estableciendo una
adecuada ventilación en los recintos, eliminando la excesiva humedad de la bodega
y manteniendo una temperatura baja que impida la proliferación de los mohos, son
las soluciones que en la industria enológica se emplean para solucionar este grave
problema. No obstante, sigue siendo frecuente y admisible encontrar alguna botella
con sabor a tapón, pues algún corcho puede tener el verdadero gusto a tapón que
primeramente se describió; pero lo que es inaceptable es que todas las botellas de
la cosecha o de una partida de vino tengan este defecto, pues indica una mala
elección de los corchos o por el contrario, un problema de contaminación dentro de
la bodega que se debe solucionar, a veces con grandes dificultades e importantes
inversiones.
Otro importante aspecto de la ventilación puede ser la regulación de las
temperaturas en aquellas zonas o épocas del año con una fuerte temperatura
exterior. En los locales cerrados expuestos al sol con una temperatura exterior de
25° C, se puede producir en el interior un aumento de la temperatura, que puede
oscilar desde los 30° C en la zona baja, para elevarse progresivamente hasta los 45°
C en la zona alta. Colocando en la cubierta unos dispositivos que eliminan el aire
caliente del interior menos pesado y sustituyéndolo por aire más frío del exterior, se
consigue reducir las temperaturas en un rango de 25° C hasta 30° C como máximo
en la parte más alta del local. Estos dispositivos de ventilación suelen ser de tipo
estático, aprovechando el «efecto Venturi» del viento al pasar por su interior,
provocando una aspiración del aire caliente situado en la parte superior de local, y
obligando a la entrada de aire fresco del exterior por la parte baja del mismo.
Dependiendo del tamaño del aspirador y de su colocación, se pueden conseguir
renovaciones de aire del orden de 50 hasta 5.000 m3 a la hora por unidad.
Por último, la ventilación debe ser necesaria y también debe preverse en aquellos
lugares de la bodega donde se almacenen o se trabaje con gases de cualquier tipo,
tales como nitrógeno o anhídrido carbónico para la conservación de vinos, anhídrido
sulfuroso para las correcciones de los mismos, gases frigorígenos como el amoníaco
o los freones, etc., debiendo mejor estar almacenados a la intemperie para evitar
problemas y riesgos en caso de fugas.