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La humedad relativa y sus implicaciones sobre la salud y el confort

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Salvaguardar el bienestar de los usuarios de recintos hospitalarios en sus áreas más críticas requiere de gran cuidado en sus condiciones de ventilación y aire, porque, más que brindar comodidad, deben impedir que los pacientes resulten afectados por elementos contaminantes imperceptibles, que pueden dañar severamente su salud

 

El vapor de agua contenido en el aire no es tangible, no se puede ver ni tocar, no tiene color, olor ni sonido; por ello, el tema de la humedad suele ser uno de los aspectos menos entendidos en lo que respecta al acondicionamiento del aire, convirtiéndose en un factor muy importante por considerar.

La temperatura ambiente es uno de los factores que más condicionan el confort de las personas en un inmueble, pero no el único. ¿Cuántas veces se asocia la sensación de calor a la temperatura medida en el termómetro? Sin embargo, la sensación de calor no sólo depende de la temperatura, sino de la capacidad del cuerpo humano para transpirar y del exceso de humedad, que limita los procesos de evaporación a través de la piel, condicionando así la pérdida de calor.

Por otro lado, humedades relativas muy bajas tienen serias consecuencias respecto de ciertas características:

  • Descargas electrostáticas. Arriba del 40 por ciento de humedad relativa (HR), prácticamente desaparecen
  • Materiales higroscópicos. Tienden a estabilizarse con el ambiente, cediendo o tomando humedad del aire que los rodea, y, en consecuencia, cambiando sus dimensiones
  • Salud y confort. En lo concerniente al confort térmico, no sólo la temperatura es importante, también tiene mucho que ver la humedad

Entonces, ¿qué influencia tiene la HR sobre la calidad de aire interior y sobre las condiciones de confort, sobre todo cuando se habla de su aplicación en quirófanos, salas de terapia intensiva y neonatología, áreas donde se debe prestar especial atención a la temperatura y a la humedad relativa?

¿Qué es la humedad relativa?
Al aire atmosférico, por estar compuesto de aire seco y vapor de agua, también se le conoce como aire húmedo. La cantidad de vapor de agua contenido en él depende de las condiciones de presión y temperatura. Por lo tanto, variando estos parámetros, el aire puede incorporar vapor de agua o desprenderlo a través de la condensación. Es así que cuanto más caliente está el aire, puede contener mayor cantidad de vapor de agua.A0MH0078178

El control de la HR y de la temperatura en el área quirúrgica debe ser automático, con sensores de ambiente que envíen una señal a los reguladores, los cuales, a su vez, deberán gobernar las etapas de producción de frío o calor. Además, se debe conservar una HR según los estándares de la American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers (ASHRAE), que oscila entre 30 y 60 por ciento, para ayudar a reducir la posibilidad de una explosión en el interior de este tipo de instalaciones (las chispas se forman con mayor facilidad si la humedad es baja), mientras que la temperatura se debe conservar entre los 20 y 24 grados centígrados.

Otro factor por considerar es la psicrometría, que es la parte de la meteorología que estudia las propiedades físicas y termodinámicas de la atmósfera; es decir, las propiedades termodinámicas de mezclas de gas con vapor. En particular, la mayoría de las aplicaciones se refieren al aire húmedo, considerado como la mezcla de aire seco y vapor de agua.

Se denomina aire seco al aire atmosférico una vez que se le han eliminado los contaminantes, como polen, polvo, bacterias, humo y otros gases, y el vapor de agua. Su peso es inferior al 3 por ciento del peso del conjunto, incluso en los climas más húmedos; pero su presencia tiene una importancia fundamental, ya que tiene un efecto considerable sobre el confort humano y la mayoría de los procesos industriales.

Por su parte, la humedad atmosférica es la cantidad de vapor de agua contenida en el aire, y varía según las condiciones climatológicas. Se encuentra presente en la tropósfera (desde el nivel del mar hasta una altura media de 11 kilómetros) y varía de 0 a 25 por ciento en volumen.

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En este sentido, es importante recordar que el comportamiento de la mezcla de aire seco y vapor de agua sigue la Ley de Dalton de las presiones parciales, de acuerdo con sus respectivas propiedades, la cual indica que la presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales de sus componentes:

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La presión parcial es la presión que ejerce cada componente en las mismas condiciones del sistema. Mientras tanto, la presión atmosférica es la suma de la presión del aire seco y la presión del vapor de agua, donde la presión del vapor de agua depende del número de moléculas presentes en un determinado volumen y, por lo tanto, de la masa del vapor de agua por unidad de volumen, que varía con la temperatura.

Este parámetro se mide en milímetros de mercurio (mm de Hg) o en milibares (mb).

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El valor más alto de la presión (tensión) de vapor de agua se observa en las regiones tropicales cerca de la superficie del mar y es de aproximadamente 30 milibares. Los aparatos utilizados para medirla son el espectrógrafo de masas y los radioisótopos, al ser los equipos que arrojan mediciones más precisas.

Sobre el tema, se tienen que aclarar ciertos términos que contribuyen en los cálculos:

  1. Presión de vapor a saturación. Si en un contenedor cerrado tiene lugar el proceso de la evaporación, llegará un momento en que habrá tantas moléculas volviendo al estado líquido como las que escapan al estado gaseoso. En este punto, se dice que el vapor se encuentra saturado (vapor saturado). Puesto que la energía cinética molecular es mayor a más alta temperatura, más moléculas pueden escapar de la superficie y, por consiguiente, la presión de vapor saturado será mayor. Si el líquido está abierto al aire, entonces la presión de vapor se estima como una presión parcial, junto con los otros elementos del aire. La temperatura a la cual la presión de vapor es igual a la presión atmosférica se le llama temperatura del punto de ebullición
  2. Humedad absoluta. Es el número de gramos de vapor de agua contenido en un metro cúbico de aire a una temperatura y presión determinadas. Se expresa en gramos de vapor de agua sobre los metros cúbicos de aire a una presión y temperatura especificadas. El concepto de humedad específica es similar al de humedad absoluta, pero se expresa en gramos de vapor de agua sobre kilogramos de aire húmedo
  3. Humedad relativa (HR). Al contenido de agua en el aire se le conoce como humedad relativa y se define como el porcentaje de saturación del aire con vapor de agua. Se trata de la relación entre la cantidad de vapor de agua que contiene un metro cúbico de aire en condiciones determinadas de temperatura y presión y la que tendría si estuviera saturado a la misma temperatura y presión. La humedad relativa de una muestra de aire depende de la temperatura y de la presión a la que se encuentre

Humedad vs temperatura

  • A presión constante (1 ATM)
  • A una “T” dada, el aire puede contener vapor de agua hasta la saturación (condensación)
  • Si “T” Aumenta A0MH0078180 Más vapor de agua para sat
  • Si “T” Disminuye A0MH0078180 Menos vapor de agua para sat

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Para medir la humedad relativa del aire se utilizan el higrómetro y los psicrómetros, equipos disponibles en distintos tipos.

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Diagrama psicrométrico
Existen distintas herramientas que ayudan a los diseñadores e instaladores de sistemas a tener un cálculo más preciso de los factores. En este sentido, el diagrama psicrométrico permite representar procesos o condiciones que experimenta el aire que es calentado, enfriado, secado, humectado, etcétera. La versatilidad del diagrama estriba en que, conociendo dos propiedades, las demás quedan determinadas.

  • El conocimiento simultáneo de dos parámetros, cualesquiera de los definidos, permite determinar los otros tres, que serán características de la mezcla de aire seco y vapor de agua
  • El ábaco psicrométrico permite determinar de una manera sencilla los cinco parámetros del aire, aunque sólo se tenga conocimiento de dos de ellos

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¿Cuál es la relación entre la humedad relativa, la salud y el confort?
Una baja humedad relativa aumenta la evaporación desde las membranas de nariz y garganta, secando las mucosas del sistema respiratorio, además de resecar la piel y el cabello. Las humedades extremas son muy perjudiciales para la salud; por ello, la ASHRAE ha publicado un diagrama psicrométrico con recomendaciones para lograr un balance adecuado. De igual manera, una baja humedad relativa tiene serias consecuencias en cuanto a las descargas electrostáticas, los materiales higroscópicos y en la salud y el confort de las edificaciones.

No se debe olvidar que el cuerpo elimina el calor latente, principalmente por la cesión de vapor de agua, a través de la exhalación del aire de los pulmones al respirar y por la exudación. Ambos aspectos contribuyen a aumentar el vapor de agua contenido en el aire del ambiente, y la cesión de éste llega a ser nula cuando el aire del ambiente está totalmente saturado.

La temperatura ambiente es uno de los factores que más condicionan el confort de las personas en un inmueble, pero no el único; entonces, hay que replantear la pregunta que se hacía al inicio del artículo acerca de la asociación entre la sensación de calor y la temperatura que indican los termómetros.

Si bien el exceso de humedad limita los procesos de evaporación a través de la piel, condicionando la pérdida de calor, la sensación de calor y acaloramiento no sólo depende de la temperatura, sino de la capacidad del cuerpo humano para transpirar. Al evaporarse el agua, el cuerpo humano necesita suministrarle una cierta cantidad de calor, llamada calor latente, y es esa pérdida de calor lo que hace que se sienta cierto frescor.

Para transpirar es necesario que la atmósfera admita el vapor de agua que suelta el cuerpo humano. Realmente la atmósfera no puede contener todo el vapor de agua que se quiere, sino que a partir de un cierto punto lo rechazará. Si esto llega a ocurrir, el cuerpo humano no podrá transpirar más y la sensación de calor aumentará.

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El aire es un vehículo de transmisión de microorganismos, por lo que los procedimienots utilizados para disponer de aire limpio son de gran importancia, sobre todo en áreas críticas que necesitan un ambiente bacteriológicamente inocuo

El conocimiento de las características climáticas idóneas del centro sanitario es imprescindible a fin de evitar contaminación e infecciones nosocomiales. Las principales zonas críticas que se ubican en los hospitales son:

  • Quirófanos. Ninguna otra área hospitalaria requiere un control más cuidadoso de las condiciones ambientales y de asepsia. Aunque una sala de operaciones puede considerarse como una “sala limpia” en muchos aspectos de su diseño, no será clasificada como tal, porque en este tipo de aplicación es más importante limitar la cantidad de bacterias, virus y microorganismos, más allá de controlar la cantidad de partículas que ingresan.

Las características del sistema de climatización en este tipo de aplicaciones son que el aire exterior será del ciento por ciento y todos los ambientes aledaños pertenecientes al área de cirugía tendrán que ser capaces de diluir los gases anestésicos y limitar el riesgo de explosión. Si se estima necesario, será conveniente prever un sistema de extracción independiente en cada sala de operaciones para eliminar la concentración de gases anestésicos al terminar la operación. El sistema de vacío eliminará los gases no inflamables.

En todos los ambientes se mantendrán de 15 a 20 cambios de aire por hora:

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Para la humidificación, debe emplearse vapor desde una fuente exterior o producida en el propio humidificador controlado. Este vapor debe ser completamente estéril. Todos los ambientes estarán a sobrepresión positiva, lo que significa que deberán estar por encima de la presión atmosférica. Las presiones positivas serán “escalonadas” con una diferencia de presión entre ambientes de 0.5 milímetros de columna de agua (mm CA).

  • Salas de terapia intensiva. Las salas de cuidado intensivo son para pacientes seriamente enfermos, que pueden llegar de posoperatorios o no. Es conveniente dividirlas en varias habitaciones con presión positiva controlada, de manera que no se intercambie aire entre ellas; asimismo, diseñarse un rango variable de temperaturas, fácilmente ajustable entre los 20 y 30 grados centígrados y una humedad entre 40 y 60 por ciento.

La presión debe ser positiva en salas, pero negativa en los pasillos circundantes, evitando así la contaminación cruzada y de los propios enfermos.

  • Neonatología. La termorregulación en este tipo de espacios es controlada por el hipotálamo, por lo que los estímulos térmicos llegan desde la piel. Sobre el tema, es importante destacar que la temperatura uterina es de 37.9 grados centígrados, es por eso que los recién nacidos son bastante vulnerables al enfriamiento y al sobrecalentamiento de espacios: mientras más pequeño es el recién nacido, mayor la diferencia entre la habilidad de producir calor (masa) y la pérdida de calor (área de superficie).

En este tipo de espacios, las consecuencias por enfriamiento pueden ser muy graves, por ejemplo:

  • Síntomas inespecíficos: letargo e intolerancia alimentaria
  • Apnea, bradicardia, acidosis y signos de dificultad respiratoria
  • El aumento del metabolismo se traduce en hipoglucemia neonatal
  • Shock y coagulación intravascular diseminada, que puede provocar la muerte
  • Pérdida de peso

El control de la temperatura y la humedad serán indispensables, dado que el recién nacido tiene poco tejido celular subcutáneo, un área de superficie cutánea relativamente grande y reservas mínimas de energía, por lo que para su supervivencia es fundamental un medioambiente térmico neutro constante. Se trata de un requerimiento definido como la temperatura ambiente que minimiza la pérdida de calor, de manera que no aumente el consumo de oxígeno y no se incurra en estrés metabólico.

A fin de mantener una pérdida de calor por evaporación mínima, la humedad ambiente debe oscilar entre el 40 y el 60 por ciento. Una humedad ambiente baja necesita una temperatura ambiente mayor para mantener una temperatura cutánea óptima; entonces, se tendrá que mantener entre 35 y 36.5 grados centígrados.

Asimismo, la humidificación en los recién nacidos es muy importante, porque presentan un aumento de la pérdida insensible de agua, sobre todo por evaporación. En particular, el cociente entre su área de superficie corporal y el peso corporal es muy alto, característica que los convierte en pacientes con una mayor proporción de agua corporal en comparación con la masa corporal, mientras que la pérdida transcutánea de agua aumenta debido a que la epidermis es delgada y el estrato córneo esta subdesarrollado. Tales pérdidas por evaporación se minimizan al aumentar la humedad ambiente.

El diseño de un edificio para el cuidado de la salud es una labor que enfrenta al arquitecto o al diseñador con un amplio panorama de cuestiones por cubrir, no sólo relacionadas con la planeación de espacios y la estética del lugar, sino con los usuarios, los avances tecnológicos y otros elementos que se vuelve necesario tomar en consideración para que resulte útil y eficaz.

Diseñar un hospital implica contar con conocimiento suficiente sobre su complejidad, de modo que se logren conjugar alta tecnología, espacios con amplitud suficiente, sincronización entre áreas especializadas, rutas de tránsito interior, ventilación, temperaturas, manejo de residuos y abasto eléctrico, las cuales deben estructurarse estratégicamente, porque la vida de los pacientes dependerá de su funcionamiento adecuado.

Sistemas VRF: confort preciso y máxima eficiencia

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México es uno de los principales consumidores de equipos de climatización en América Latina. Los sistemas VRF son una de las tantas opciones que existen en el mercado nacional. Sus características los convierten en una opción muy versátil para la climatización de ambientes diversos, al ser capaces de brindar aire frío o caliente, con un nivel de aprovechamiento superior en comparación con sistemas tradicionales

 

Las siglas que nombran a este sistema significan flujo de refrigerante variable (Variable Refrigerant Flow). Se trata de sistemas cuyo funcionamiento es análogo al de la bomba de calor; sin embargo, a diferencia de la bomba de calor, los sistemas VRF tienen la capacidad de variar el caudal de refrigerante aportado a las baterías de evaporación-condensación, controlando con mayor eficacia las condiciones de temperatura de los espacios por climatizar.

Los sistemas VRF son resultado de la evolución de los sistemas split e integran una bomba térmica reversible que permite conectar varias unidades interiores con una sola unidad exterior, a través de dos tuberías de cobre por donde circula el fluido refrigerante y acondiciona el espacio.

Estos sistemas basan su funcionamiento en el motor del compresor. Dicho elemento cuenta con un sistema de variación de frecuencia, que oscilará entre 20 y 100 Hertz, dependiendo de la información recibida del sistema de control del sitio. Cuando el compresor trabaja a menor potencia, se suministra un caudal de refrigerante menor hacia el evaporador o condensador, disminuyendo la cantidad de calor absorbido o cedido al espacio. Así, el control de temperatura del local es mucho más preciso. El control de frecuencia del compresor disminuye los paros y puestas en funcionamiento que son motivo de desgaste del equipo.

Con este sistema se consigue una independencia climática en cada espacio atendido, ya que cada unidad interior trabaja de forma independiente de las demás, solicitando la cantidad de refrigerante que necesita, gracias a una válvula de expansión electrónica que deja pasar la cantidad justa de fluido refrigerante que deberá entrar en la batería.

Los compresores de los sistemas de aire acondicionado convencionales son regulados por una acción todo-nada, es decir, el compresor se pone en funcionamiento cuando el termostato percibe una temperatura inferior o superior a la de su set-point y se detiene cuando detecta una temperatura superior o inferior. En cambio, en los sistemas VRF la regulación de la temperatura es proporcional, ya que la cantidad de fluido refrigerante que bombea a las baterías aumenta o disminuye de acuerdo con el set-point. Este comportamiento se representa en el siguiente esquema.

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Se muestra un esquema de instalación tipo de un sistema VRF adecuado con sistemas de recuperación de calor, diámetros de las tuberías frigoríficas y unidades interiores que operan

Sistemas VRF con recuperación de calor
El concepto de recuperación de calor consiste en intentar aprovechar las pérdidas energéticas que se producen en un sistema común de acondicionamiento de aire. La evaporación del fluido refrigerante para enfriar un espacio conlleva su condensación y la consiguiente cesión de calor a otro medio. Este calor de condensación se suele desperdiciar hacia el exterior en sistemas de aire, por lo que la recuperación de calor permite aprovecharlo y llevarlo hacia otro espacio donde se precise calefacción.

Esto se consigue distribuyendo el fluido refrigerante de manera conveniente. El refrigerante en estado gaseoso que proviene de las unidades evaporadoras se llevará hacia las unidades solicitadas de calefacción, produciéndose allí la condensación del gas. Más tarde, el líquido condensado volverá a las unidades evaporadoras.

La distribución inteligente del fluido refrigerante se consigue gracias a un sofisticado sistema de control electrónico. Las patentes de los sistemas VRF pertenecen a empresas multinacionales que han incorporado sus avances en materia electrónica y de control a estos sistemas de acondicionamiento de aire. En comparación con la relativa simplicidad del componente frigorífico de estos sistemas, el componente electrónico y de control aplicado es realmente complejo.

Cálculo de un sistema de AA mediante VRF
Al proyectar cualquier instalación de aire acondicionado, se debe comenzar por conocer la cantidad de calor que se habrá de introducir o extraer del recinto. Esto se consigue mediante una estimación de las cargas térmicas.

Necesidades térmicas del edificio. Teniendo bien definidas las zonas o sectores del edificio que se van a climatizar, y estableciendo hipótesis de cálculo, se puede evaluar el calor que se generará o perderá en los locales, es decir, el cálculo de las cargas térmicas. Existe una serie de factores principales por tener en cuenta para cuantificar las cargas térmicas:

  • Radiación y transmisión a través de paredes y techos. En esta carga influyen la orientación de la pared, la densidad y el espesor
  • Transmisión a través de paredes no exteriores. El caso más desfavorable es cuando el espacio contiguo no se encuentra climatizado
  • Personas. El calor que desprenden las personas dependerá de la actividad que desarrollen y se diferenciará en dos tipos: calor sensible (debido a la diferencia de temperaturas) y calor latente (calor generado por la humedad desprendida)
  • Iluminación y maquinaria. El consumo eléctrico de la iluminación y la maquinaria en general se transforma al final en calor
  • Ventilación. El aire de renovación que hay que introducir en un local conlleva una determinada carga calorífica, ya que suele ser aire introducido directamente del exterior

Con estos parámetros y una serie de valores normalmente tabulados en manuales especializados se podrá hacer un cálculo, siempre aproximado, de las cargas térmicas del edificio por climatizar.

Elección del sistema adecuado
Entre los distintos sistemas de climatización que existen en el mercado, primará elegir el que sea compatible con las características del sitio por climatizar. En líneas generales, los distintos sistemas pueden ser aire-aire, aire-agua y sólo agua.

En caso de elegir un sistema VRF con recuperación de calor, habrá que estudiar detenidamente su rentabilidad, ya que son sistemas que suponen un elevado costo inicial. Para ello, es preciso fijarse en dos parámetros: la orientación de los espacios por climatizar y sus usos.

Es conveniente que haya espacios con orientaciones opuestas, es decir, unas encaradas hacia el exterior, con la consiguiente presencia de ventanas, y otras con una orientación más bien interior. En cuanto al uso, algunos espacios tendrán un uso más bien esporádico mientras que otras podrán ser de notable concurrencia durante gran parte del día. Considerando estas características, se podrá prever si será viable la recuperación de calor y se podrá precisar calefacción en unos espacios y refrigeración en otros de manera simultánea.

Decidir la potencia de las unidades climatizadoras
Una vez que se decide aplicar un sistema VRF, con o sin recuperación de calor, habrá que considerar algunas características de diseño. Para que el ahorro energético sea notable, las unidades que ofrezcan calefacción y refrigeración de manera simultánea deberán ir conectadas a una misma unidad exterior, pudiendo así trabajar entre ellas. Habrá que elegir cuidadosamente la ubicación de las unidades interiores que trabajen con la misma unidad exterior, de manera que éstas se coloquen en salas con orientación y usos opuestos. Al proyectar la instalación se deberá estudiar muy bien este aspecto, ya que de ello dependerá la obtención de un óptimo ahorro energético.

En paralelo a esta conexión entre unidades, hay que decidir la potencia de las unidades interiores colocadas y cerciorarse de que la potencia frigorífica-calorífica que puedan dar sea siempre algo superior al valor de las cargas térmicas calculadas para la zona en cuestión. De esta manera, se asegurará que, aun en el caso más desfavorable, la máquina ofrecerá las condiciones de confort deseadas. Para dimensionar la potencia de cada unidad exterior se podrá aplicar un coeficiente de simultaneidad según el número de unidades interiores conectadas a ella.

Parámetros de instalación
Una vez decididas las unidades interiores y exteriores, se deberá comprobar que es posible instalarlas en el espacio o edificio en cuestión. Debe tenerse en cuenta que son equipos que precisan de distancias mínimas de mantenimiento y, si se encuentran ocultas, deberán tener accesos de registro.

También se deberán calcular los diámetros de las tuberías frigoríficas, así como las dimensiones de los conductos de aire en las unidades interiores que sean de este tipo.

Ventajas e inconvenientes
Hay que distinguir claramente los dos sistemas comentados: el sistema VRF y el sistema VRF con recuperación de calor, ya que el segundo ofrece algunas posibilidades que el primero no tiene.

Tanto en uno como en otro, los aparatos se amoldan a las necesidades momentáneas de los espacios. Además, en el sistema con recuperación de calor, transportar el calor de una sala a otra, en vez de desperdiciarlo a la atmósfera, como en los tradicionales sistemas aire-aire, es un hecho que se puede llevar a cabo desde hace pocos años en el mercado mundial.

Una característica importante de ambos sistemas es su capacidad de controlar de manera precisa la temperatura de un espacio. Las variaciones respecto de la temperatura de consigna con sistemas de este tipo son mucho menores que en otros sistemas de acondicionamiento de aire. Además, pueden seleccionarse estas condiciones ambientales de manera individual en cada espacio.

La posibilidad de variar la potencia del compresor en todo momento evita paradas innecesarias. Hay que recordar que los sucesivos paros y puestas en marcha son los principales motivos de desgaste de cualquier motor. Destaca la facilidad en la instalación de estos sistemas.

Además, los sistemas VRF permiten grandes distancias entre unidades exteriores e interiores y también entre unidades interiores. Por ello, son sistemas idóneos para climatizar edificios en su totalidad y gozar de una centralización del aire acondicionado.

El inconveniente de estos sistemas es su elevado costo inicial y el de la instalación auxiliar. Hay que asegurarse de que la rentabilidad energética obtenida compense la inversión necesaria para instalarlos. Existen en el mercado numerosas marcas y algunas de ellas ofrecen el servicio de Análisis de Retorno de Inversión (ROI), con el cual se garantiza la factibilidad de estos sistemas en comparación con los tradicionales.

Motores electrónicos en refrigeración

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Cada sistema de refrigeración cuenta con características diferentes. Determinar el tipo de motor que necesitan se realiza en función del equipo y del uso que se le dará. Esto ha provocado que se desarrollen nuevas tecnologías y que se amplíe la variedad de alternativas disponibles para los sistemas de refrigeración.

 

A nivel de refrigeración comercial, hoy en día existen diversas aplicaciones, como refrigeradores botelleros, de lácteos o islas de refrigeración en supermercados; sin embargo, siempre está la disyuntiva de cuál es el mejor motor electrónico para reemplazar motores de inducción.

Hace muchos años que los motores electrónicos tipo conmutados electrónicamente (EC) han remplazado a los motores de inducción, ya sea por reducción del consumo energético, por tener una vida útil más larga o por presentar opciones en su funcionamiento que permiten tener más flexibilidad en las aplicaciones.

Por ello, es importante describir los puntos que ayuden a definir cuál es motor más indicado, a fin de lograr los resultados esperados en los equipos de refrigeración. Todo esto, a partir de las características necesarias en su aplicación.

Aspectos por considerar
Para tener una mayor claridad de los factores que determinan qué motor es el más adecuado para ciertas aplicaciones es importante definir algunos conceptos básicos que servirán al lector para entender sus características y, de esta manera, tomar una decisión más adecuada.

Un punto importante es considerar que los motores o, mejor dicho, el conjunto completo, también llamado ventilador, está conformado por estructuras mecánicas que tienen por objetivo deslizar un fluido a través de un movimiento de rotación y consecuentemente aumentar su presión y densidad.

Es importante decir que el texto no tiene el objetivo de demostrar el cálculo de las dimensiones de los intercambiadores de calor, pero sí es necesario dejar en claro algunas consideraciones básicas para que se entienda que el motor ventilador se define desde que se hace el cálculo del intercambiador, evaporador o condensador.

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Figura 1. Se pueden tener los mismos flujos de aire con distintas aspas y velocidades de motor

Intercambio de calor
Los principales intercambiadores que se instalan en la refrigeración comercial son los conjuntos de tubo aletados, que tienen como característica principal un mejor intercambio térmico interno y externo, por lo que necesitan un área de intercambio externa más grande que aquella que se encuentre en el interior.

La eficiencia de los intercambiadores de tubo aletados está determinada por el intercambio de aire externo, la geometría de los componentes y el flujo de aire; por esta razón, desde la fase inicial del proyecto es determinante tener cuidado en estos puntos, para que al final se logre una eficiencia térmica mejor y un menor consumo energético.

Cuando la ingeniería hace los cálculos de las cantidades de calor que los intercambiadores tendrán que transferir, ya se está delimitando el área de tales componentes. Esto sucede porque todo proyecto tiene una determinada cantidad de calor que se debe transferir en un determinado tiempo, lo cual se refleja en la superficie por la cantidad de aire que tendrá que pasar por dicho componente para transferir calor.

Otro resultado importante que hay que tomar en cuenta es el flujo de aire que la instalación necesitará para que se logre un buen funcionamiento en la refrigeración del proyecto, que se definirá al tener bien equilibradas las variaciones de velocidad que se encuentran en el área del intercambiador y con la velocidad del flujo de aire que pasa entre las aletas. Por ello, siempre habrá de considerarse que este parámetro es infinito y que no se podrá aumentar el flujo a un nivel mayor, pues se tiene un límite en la capacidad del intercambiador.

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Presión estática
Existen pruebas de medición del flujo de aire y consumo en motores EC de diferentes revoluciones, como sucede con los de aspa de 7 pulgadas con diferentes ángulos, en los cuales es posible percibir que se pueden tener los mismos flujos de aire con diferentes aspas y velocidades de motor.

Ahora bien, para entender mejor este parámetro se puede poner como ejemplo el proyecto de un evaporador que necesita un flujo de aire de 87 m3/h, con una presión estática de 50 Pa, y en el que se puede obtener este flujo con dos configuraciones distintas:

  • Combinación 01= Aspa 7” ángulo de 30° y motor con 1500 rpm
  • Combinación 02= Aspa 7”” ángulo de 20° y motor con 1800 rpm

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Los motores EC tienen como característica permitir este tipo de variación de velocidad que flexibiliza el proyecto con el objetivo de que se busque la opción más eficiente. Como se observa en las Tablas 1 y 2, los flujos de aire son iguales para ambas condiciones, pero en 1800 revoluciones por minuto el consumo energético está mejor condicionado que con 1500 revoluciones por minuto.

Tipos de motores
Los motores electrónicos pueden clasificarse de diferentes modos.

En su forma más básica, la clasificación a partir de la velocidad en el trabajo de motor queda definida en dos tipos, sincrónico y asincrónico.

En este sentido, los motores sincrónicos tienen su velocidad definida por la frecuencia de la electricidad, que oscilará entre 50 o 60 Hz, y presentan características muy interesantes para la industria de la refrigeración, como lo es la estabilidad de la velocidad de trabajo.

Ahora bien, los motores sincrónicos también poseen como característica la estabilidad en la velocidad, pues ésta no varía si hay cambios en el voltaje o carga sobre el motor, lo que además de mantener la estabilidad hace que su tecnología sea más barata, en comparación con los precios que se manejan en los motores asincrónicos.

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En la Figura 2 se puede ver que la velocidad queda establecida en 1 mil 800 revoluciones por minuto en todo el rango de variaciones de carga en el motor; el detalle de este tipo de motores es que no se protege al momento en que se disminuye la velocidad ni cuando se incrementa la carga, y lo único que hace es detener su operación cuando es mucha la carga, lo que hace imposible su arranque.

La alternativa para la problemática que presente este motor es que puede variar la potencia del motor según la cantidad de carga que se necesite para trabajar adecuadamente. Por tal motivo, no representa una opción viable, pues al cambiar la velocidad de la variación de frecuencia cambia su velocidad y flujo de aire, lo que en consecuencia reduce el desempeño del equipo.

La característica principal de los motores asincrónicos es la posibilidad de variación de velocidad, determinada de acuerdo con la carga que se aplique en el motor.

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En la Figura 3 se observan tres motores EC asincrónicos con potencia de 9 W, 16 W y 20 W, y lo que se percibe es que para cada carga y potencia de motor existe una velocidad determinada en la que trabaja mejor. Más adelante se puede verificar cuál es la mejor opción para cada instalación.

Tales datos ayudan en la búsqueda de un motor adecuado según su aplicación; entonces, lo importante será conocer la carga que se aplica en el motor, la presión estática, el diámetro de aspa y la velocidad del motor. De esta forma se podrá saber con certeza la cantidad de flujo de aire que requerirá.

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CONTROL DE LA VELOCIDAD
En la Figura 4 se muestra cómo ocurre el control de velocidades en la variedad de motores EC, en específico de un motor ECR01B de 20 W con controlador de velocidad, que a pesar de ser asincrónicos también pueden trabajar con velocidades fijas, aunque no en toda su aplicación.

En el mercado ya existen motores EC con control de velocidad, como los ECR01 con speed control, que cuentan con un control de velocidad con referencia en el troque, el cual se va calibrando conforme se usa el motor; esto permite que se mantenga una velocidad fija en un rango determinado de su operación.

A pesar de que a lo largo de su operación pueden mantener la velocidad fija durante un largo periodo, no es posible que la mantengan todo el tiempo; aunque sí se pueden manejar diferentes cargas en las aspas y las presiones estáticas con el mismo motor, sin tener una diferencia en la velocidad durante los cambios.

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Igualmente, la Figura 5 muestra que con torques debajo de 0.06 Nm la velocidad sube y que en torques arriba de 0.14 Nm hay una reducción de la velocidad; es decir, que el motor ECR01 de 16 W tiene velocidades estables en 1 mil 500 revoluciones por minuto en un rango de 0.06 hasta 0.14 Nm.

Dichos motores tienen su velocidad controlada por torque, cuya ventaja es que en condiciones de extrema carga reducen las revoluciones para que la carga en el motor también se aligere y siga trabajando; es decir, si existe un problema en la unidad de refrigeración que provoque que la presión estática se eleve, el motor continuará funcionando, aunque en revoluciones más bajas.

Consideraciones finales
Es importante conocer bien la aplicación, realizar pruebas iniciales con un motor y verificar los datos de consumo de potencia del motor, revolución efectiva y los datos del punto de carga con el que trabaja.

También es preciso hacer simulaciones que reduzcan la cantidad de pruebas y las posibilidades de error, pues siempre habrá características en el diseño del refrigerador que generen dudas.

Ahora bien, uno de los componentes por considerar dentro de las características del motor es el aspa, ya que puede provocar que disminuyan la potencia del motor y el flujo de aire, por lo que algunas compañías buscan ofrecer aspas que reduzcan la carga del motor, produciendo más revoluciones y una reducción en el consumo energético.

Suministro de frío en productos lácteos

El frío se utiliza en diversos procesos industriales, pero su utilización ha estado presente desde que el hombre empezó a conservar sus alimentos. Ahora bien, cada producto es distinto, por lo que su tratamiento varía de acuerdo con las necesidades físicas y químicas. Conocer y aplicar de forma adecuada el suministro de frío garantiza productos más rentables y con una mayor calidad.

Manejar una temperatura inadecuada en la refrigeración de los lácteos puede acelerar la actividad microbiana, lo cual deriva en productos de mala calidad.

 

La cadena de frío es una sucesión de procesos logísticos con temperatura controlada. La conforman varias etapas que constituyen el proceso de refrigeración o congelación, el cual es necesario para que los productos perecederos, refrigerados o congelados, lleguen de forma segura al consumidor.

Se le denomina “cadena” porque incluye todo un conjunto de actividades que se requieren para garantizar la calidad y seguridad de un producto, desde su origen hasta su utilización o consumo.

Solamente basta con que una de las etapas del proceso se vea comprometida en algún punto para afectar toda la cadena de frío, perjudicando la calidad y seguridad del producto.

Respecto de aquel que se lleva a cabo para el manejo de productos lácteos, éstos, por ser productos sensibles al calor y a la luz, pierden ciertos nutrientes al exponerse a ellos, lo que termina por afectar su sabor.

Para lograr conservar dichos productos es necesario evitar romper la cadena de frío. Además, la conservación está directamente vinculada con otros aspectos, tales como el control de entradas y salidas, con el fin de garantizar la rotación del producto y no prolongar su almacenamiento; igualmente con el control de temperatura y humedad de los lugares de almacenamiento, los cuales deben estar libres de contaminación cruzada y contar con una buena ventilación. En cuanto a las condiciones de envasado y empaquetado, los productos tienen que estar herméticamente sellados y sin golpes.

Tipo de producto Temperatura Tiempo de conservación
Leche 2º y 5 ºC 72 horas
Leches ácidas 2° y 5 °C 21 días
Queso blanco 2° y 5 °C 30 días
Quesito 2° y 5 °C 15 días
Queso crema 2° y 5 °C 21 días
Queso mozzarella 2° y 5 °C 30 días
Quesillo 2° y 5 °C 30 días
Queso holandés 2° y 5 °C 90 días

 

 

 

 

 

 

 

 

Suministro de frío
La refrigeración es uno de los métodos más utilizados para la conservación tanto de los productos lácteos como de sus derivados. Cuando se someten a temperaturas bajo cero es posible alterar las moléculas de grasa, las proteínas y los azúcares; éstos, finalmente, pierden sus características físicas, cuestión que les otorga una apariencia como de leche cortada.

Por otro lado, la temperatura es una variable importante para el crecimiento de los microorganismos, mediante la cual pueden clasificarse en hipertermófilos, termófilos, mesófilos y psicrófilos. Los hipertermófilos crecen en un rango de temperatura entre los 65 y 115 °C; los termófilos entre los 45 y 65 °C, los mesófilos entre los 10 y 45 °C y los psicrófilos poseen una temperatura óptima de crecimiento de 15 °C o inferior, pero pueden crecer hasta los 0 °C. También existe otro tipo de microorganismos con una temperatura de crecimiento óptima entre los 20 y 40°C, pero que pueden crecer a los 0 °C, los cuales reciben el nombre de psicrotolerantes.

Clasificación de los microorganismos de acuerdo con su temperatura de crecimiento
Los psicrófilos crecen en ambientes permanentemente fríos y mueren rápidamente si se exponen a temperaturas de un ambiente normal. Estos microorganismos tienen la capacidad de evadir y superar de manera impresionante las barreras a las que son sometidos para evitar su desarrollo, incluso, se adaptan de manera fácil a los ambientes, aun con toda la tecnología de que se dispone actualmente.

Las temperaturas de refrigeración (de 0 a 8 °C) se utilizan ampliamente para ayudar a conservar los alimentos procesados, cocidos y crudos. Lamentablemente, esto no limita el crecimiento de los microorganismos, ya que tienen la capacidad de ajustar su fisiología y así logran sobrevivir a las bajas temperaturas.

De manera general, se ha reportado que los microorganismos se adaptan a las bajas temperaturas modificando sus rutas metabólicas, observándose los siguientes cambios:

  • Los microorganismos adaptados al frío acumulan sustancias crioprotectoras en el interior de sus células
  • Aumentan la viscosidad del citoplasma debido a la acumulación de sales (congelación bacteriana)
  • El frío debilita los enlaces hidrofóbicos de las proteínas activándose la inactividad enzimática, lo cual disminuye su reproducción
  • Hay un incremento de ácidos grasos insaturados para mantener el estado semifluido de la membrana

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Durante la congelación también se detiene el crecimiento de diversos microorganismos. A temperaturas de -30 °C (la supervivencia de las bacterias es mayor que a temperaturas más altas, -2 a -10° C). No obstante, puede producir lesiones subletales en los microorganismos que reciben estas temperaturas para su almacenamiento.

Sin embargo, cuando se almacena un alimento congelado con una carga microbiana abundante, las actividades enzimáticas de las bacterias pueden continuar dando lugar a más deterioro en el producto donde se encuentran presentes. Posteriormente, cuando el alimento congelado se descongela total o parcialmente, incrementa su temperatura y su entorno se vuelve más favorable para que la actividad microbiana se reactive.

Esto quiere decir que el frío actúa sobre el metabolismo de los microorganismos haciéndolos más lentos, pero sin eliminarlos.

Cadena de frío
La cadena del frío inicia desde el momento en el que se obtiene el producto elaborado; posteriormente, pasa por las fases de distribución, almacenamiento y manipulación. Las actividades y recursos necesarios para desarrollar los programas varían sensiblemente en cada una de estas fases, por lo cual se debe tener presente que aunque se cuente con tecnología de punta para la cadena de frío, no será efectivo si las personas responsables del programa no conocen y no aplican correctamente los principios de operación y funcionamiento de los equipos frigoríficos y los componentes utilizados para la conservación del producto.

Por ejemplo, la transformación de la leche cruda en leche y productos elaborados es una manera de conservarla.

En cuanto a la pasteurización, éste es un procedimiento por el que a través del tratamiento térmico se prolonga la vida útil de la leche y se reducen los microorganismos que están presentes en ella de forma natural. Por otro lado, un yogur conserva sus valores nutricionales dos horas después de ser procesado sin estar refrigerado; transcurrido este tiempo empiezan a cambiar sus propiedades.

La lactoperoxidasa es una enzima (proteína) natural que está presente en la leche y que cumple la función de agente antibacteriano natural. Su sistema prolonga el tiempo de conservación de la leche cruda de siete a ocho horas a 30 °C.

Algunas pruebas se realizan de manera rutinaria para mantener el control de calidad de la leche y se realizan durante todas las etapas de la cadena de frío:

  • Cantidad (volumen y peso)
  • Características organolépticas (color, sabor y olor)
  • Composición química (grasa y proteína)
  • Conservadores
  • Densidad, acidez, etcétera

El uso e implementación de la tecnología de refrigeración y criogénica ha logrado impactar significativamente en el desarrollo en la industria de alimentos procesados. Por ejemplo, Australia creció cerca de 36 por ciento en la década pasada con el uso de estrategias que impulsaron el crecimiento de la industria alimentaria por el incremento en el valor de la materia prima y la extensión de la vida de anaquel de productos con alto valor comercial.

Por otro lado, en México, la Sagarpa determinó la ejecución nacional para la red del frío hortofrutícola en 11 estados de la República Mexicana. En dicha red se requiere implantar de manera eficiente sistemas frigoríficos para el manejo integral de la cadena del frío.

En las zonas productoras que ya cuenten con un almacén frigorífico se implementará la innovación tecnológica para hacer más eficientes los procesos de preenfriamiento y enfriamiento.

Criogenia en la industria metalmecánica

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Los beneficios de las temperaturas criogénicas se han industrializado gracias a los avances considerables de la investigación. Sus usos en diversas industrias son comunes, y su aplicación específica en los metales conlleva mejoras significativas sobre las características de los materiales. Si bien su uso lleva ya un par de décadas en el mercado mundial, la ausencia de tecnología accesible en México y los costos relacionados aún la mantienen confinada a sectores bastante específicos

 

La criogenia se define como el conjunto de técnicas utilizadas para enfriar un material a la temperatura de ebullición del nitrógeno molecular o a temperaturas más bajas, esto significa 77.36 grados kelvin o -195.79 grados centígrados.

Si bien detener el envejecimiento de un ser humano mediante procedimientos criogénicos no se ha logrado, dicha práctica se extiende entre las actividades productivas humanas con aplicaciones que van en aumento.

La industria textil, la alimentaria, la farmacéutica, la electrónica, la óptica, la automotriz y la metalmecánica, entre muchas otras, ya se sirven de los beneficios de esta tecnología para mejorar sus procesos y obtener productos más duraderos. No obstante, a México aún no le ha llegado su turno por completo, pues son contadas las compañías, por no decir los sectores, que la utilizan en sus labores, sobre todo debido al desconocimiento y a la ausencia de tecnología local.

La historia de tal método se remonta a la década de 1930, cuando algunos investigadores iniciaron los primeros estudios al respecto. Durante esta época era difícil acceder a la materia prima, el nitrógeno, por sus altos costos. Más de 30 años después, Edward Busch empezó a estudiar los beneficios de este tipo de proceso y logró llevar a cabo algunos experimentos para mejorar la estabilidad del acero. Las pruebas que realizó fueron exitosas, pero el método era prácticamente desconocido, por lo que no lo tomaron en serio e incluso lo acusaron de practicar magia negra. Posteriormente, en 1973, Busch conoció al doctor Randall Barron, de la Universidad de Luisiana, la mayor autoridad en el tema de la criogenia. Busch, así como diversos clientes de su compañía, Cryo-Tech, financiaron diversos estudios para perfeccionar el proceso. Al cabo de un año, los estándares del tratamiento criogénico se habían establecido. Poco tiempo tuvo que pasar para que la aplicación de la criogenia se convirtiera en un método de grandes alcances.

Aplicación
La criogenia es ampliamente utilizada en tecnologías que dependen de la superconductividad, capacidad que poseen ciertos materiales para transportar corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de energía en determinadas condiciones. Por ejemplo, los aparatos de resonancia magnética nuclear utilizados en medicina dependen de técnicas criogénicas para mantener la temperatura de los imanes superconductores que albergan.

Mediante el uso de técnicas más avanzadas, es posible alcanzar temperaturas aún más cercanas al cero absoluto, como las aplicadas en refrigeradores de dilución y desmagnetización adiabática. Dichas técnicas tienen su principal aplicación en el campo de la investigación, pues a temperaturas suficientemente bajas los efectos de la mecánica cuántica se hacen notar en cuerpos macroscópicos.

Equivocadamente se denomina criogenia a la criónica o criopreservación, que se refiere al conjunto de técnicas utilizadas para preservar, utilizando muy bajas temperaturas, personas legalmente muertas o animales, con miras a una posible reanimación cuando la ciencia y la tecnología futura puedan remediar toda enfermedad y revertir el daño debido al proceso de criopreservación.

El nitrógeno líquido, por su parte, principal elemento para llevar a cabo los procesos criónicos y de criopreservación, encuentra su principal aplicación como agente refrigerante de bajo costo en el campo de la criogenia; en la actualidad, algunos laboratorios de investigación lo emplean para atrapar materiales volátiles.

Frecuentemente, la refrigeración con nitrógeno líquido es el punto de partida para alcanzar temperaturas más bajas mediante helio líquido, y el uso de ambos gases se ha incrementado con la llegada de materiales cerámicos que se vuelven superconductores a la temperatura de ebullición del nitrógeno líquido.

En la industria, el nitrógeno se usa como refrigerante en muchos campos, como en el caso de la refrigeración de reactores químicos. Otra de sus aplicaciones más conocidas se encuentra en la industria alimentaria, donde se utiliza tanto para ultracongelar alimentos, como para la elaboración de platos cocinados con nitrógeno líquido.

Asimismo, la temperatura que logra alcanzar es posible aplicarla en plásticos, telas o metales, pues su uso en procesos industriales incrementa la capacidad de los materiales, reduce costos e implica impactos mínimos sobre el medioambiente. Igualmente, se emplea en el reciclado de neumáticos, ya que supone una tecnología más eficaz y favorable al conseguir un elevado grado de separación de los componentes, característica que hace el reciclaje más eficaz.

El procedimiento
La tecnología desarrollada y los estudios que se han realizado alrededor del tema son variados, así como la experimentación en materiales que en la actualidad exploran otras industrias. Previamente, el nitrógeno se usaba de forma un tanto burda, debido a que lo único que se hacía era meter los metales en nitrógeno; esto provocaba choques térmicos, que, lejos de ayudar, disminuían la calidad.

Según el doctor Alejandro Morales, catedrático e investigador de la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo y miembro fundador de la licenciatura en Ingeniería en Tecnología del frío, este fenómeno sólo “producía fracturas internas de elevado gradiente de temperatura. El secreto del proceso es tener paciencia en la aplicación del gas”, afirma en entrevista para Mundo HVACR.

En primer lugar, explica el experto, es necesario considerar que el nitrógeno se aplica en seco, ya que permea muchos materiales, lo que significa que tiene facilidad para entrar en los pequeños espacios libres que dejan las partículas de los materiales. Al momento de pasar nuevamente a temperatura ambiente, se expande, esto crea una especie de burbuja que fractura el metal y lo debilita; por ello, su aplicación debe contar con ciertas condiciones de control.

Por otro lado, la inyección de nitrógeno líquido en los equipos optimizados para esta tarea únicamente evita los choques térmicos e intercambia la energía para, posteriormente, procesar el nitrógeno en vapor; dependiendo del volumen del metal, se controla la temperatura y el tiempo de aplicación.

Otro aspecto por considerar al aplicar el proceso es la regulación del flujo volumétrico del nitrógeno, a fin de controlar la temperatura. A grandes rasgos, el proceso inicia con la materia prima a temperatura ambiente, la cual se somete a una inyección de nitrógeno líquido que se evapora y baja la temperatura gradualmente, pues no puede hacerlo de forma inmediata; de lo contrario, produciría un choque térmico, lo cual hay que evitar. Los equipos que se encargan del procedimiento empiezan a bajar la temperatura, primero, a -10 grados, luego a -15 y así sucesivamente. Este proceso va despejando el vapor de agua, el oxígeno y los elementos que no deben participar en el enfriamiento final, por lo que se obtiene, en esencia, un ambiente controlado.

Un factor más es la cantidad de humedad relativa presente en el ambiente. Normalmente, al aplicar de forma paulatina el nitrógeno no es necesario eliminar la humedad relativa existente, ya que el mismo material la elimina; sin embargo, si no se cuenta con un equipo optimizado, sí es necesario contar con un ambiente libre de humedad.

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La inyección de nitrógeno líquido en los equipos optimizados de la industria metalmecánica evita choques térmicos e intercambia la energía para, más tarde, procesar el nitrógeno en vapor

En cuanto al límite que puede alcanzar el tratamiento, éste se determina por el punto de ebullición del nitrógeno (-178 °C). Si sólo se inyecta líquido de nitrógeno, la temperatura límite que alcanzaría sería 196 °C. Según el ingeniero Morales, “el frío máximo aplicado en forma de vapor que se puede alcanzar es de 188 °C”.

La industria metalmecánica

Básicamente, todos los artefactos con los que se interactúa en la vida cotidiana han sido sometidos a procesos estructurales: doblado, troquelado, maquilado, fundición, entre otros, y no sólo en la industria metalmecánica, también en plásticos, textiles u otro tipo de materias primas. En consecuencia, la estructura superficial e interna ha hecho que la tecnología investigue e innove con el objetivo de fortalecer y brindar las características que tenían antes de ser procesados.

Las propiedades son variadas y, en el caso del acero, la aleación más usada y estudiada, contiene materiales como cromo, carbono, titanio y silicio. Debido a cuestiones económicas, es necesario que el tratamiento de frío sea rápido, por lo que surgen problemas en el mismo metal.

El proceso de troquelado es de los más comunes. En él, básicamente, se le da forma al metal, pues se hacen piezas con alta presión para después cortarlas y definir sus formas. El doblado normalmente es aplicado para hacer resortes o perfiles. En este caso, lo que se deforma más es la estructura de la parte externa, mientras que el interior se mantiene, según la dimensión, sin grandes modificaciones.

Soldar es otro proceso de la cadena productiva y consiste en someter el material a mucho calor a fin de otorgarle alguna forma y volver su temperatura a la del medioambiente. Muchos aceros pueden tener una gran tenacidad, pero al momento de ser soldados se modifica la estructura local, de manera que si se somete un metal a esfuerzos, la parte donde se debilitará es aquella en la que se soldó o modificó la estructura.

El ingeniero Morales explica que ““si se enfría una barra de metal que acaba de pasar por un proceso de fundición, la parte externa se sentirá fría, pero en el centro estará a 700 °C o más. A la larga, esta situación generará problemas, por eso la necesidad de optar por someter el metal a un proceso de criogenia”.

La utilización de tratamientos térmicos permite lograr las más diversas características del acero y sus aleaciones, así como de otros muchos metales; en consecuencia, dichos tratamientos cobran una importancia primordial en las distintas fases de fabricación de la industria moderna.

Los procesos son numerosos y variados, ya que están determinados por las distintas aleaciones en los que se aplican, sus reacciones y las exigencias técnicas que existen; por ello, el conocimiento requerido también debe ser especializado. En general, lo que el mercado requiere es endurecer o ablandar los materiales, pero la gradación necesaria es la que definirá la aplicación. Entre éstas, existen algunas bastante comunes:

Temple. Consiste en calentar el acero a una temperatura por encima de su punto de transformación, lo que provoca una reacción en la que el material queda con una estructura cristalina (austenítica), para después someterlo a un enfriamiento rápido con una velocidad superior a la crítica. La finalidad es tener mayor dureza en el acero

Cementación. Técnica que consiste en elevar la temperatura del acero hasta 900 grados centígrados, lo que permite que se difumine carbono sobre la superficie. Luego de lograr esta filtración en función al tiempo, se aplica un enfriado rápido, lo que también confiere más dureza al metal

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Además de éstos, existen otros, como la nitruración, el revenido, la carbonitruración, el normalizado y el recocido isotérmico, en los que, en general, se eleva la temperatura y se enfría de manera inmediata. Estas técnicas son empleadas en el acero, aunque también en cobre o aluminio, en los que las temperaturas varían considerablemente debido a que la estructura y dimensión de cada material reacciona de distinta forma. Mientras el aluminio se puede hacer maleable a 530 grados centígrados, existen tipos de cobre que resisten mayores temperaturas y continúan duros a esta temperatura.

Someter un material a este tipo de tratamientos busca la obtención de un producto de calidad, porque de esta forma se remueven muchos (o todos) los defectos que pudiera portar. En este sentido, la ingeniera Elizabeth Chavira, especialista del Instituto de Investigaciones en Materiales (INM) de la Universidad Nacional Autónoma de México, explica que “los procesos térmicos funcionan efectivamente cuando se logran remover todos los efectos que se hicieron en cada uno de los procesos para adquirir el producto final; por ejemplo, una llave de coche. “Esta eliminación es notable a lo largo de los años, pues el desgaste del metal y su resistencia es evidente”, indica la especialista.

Para mostrar lo que sucede con los metales cuando no se someten a un tratamiento térmico (criogenia, temple, entre otros), el ingeniero Morales ejemplifica los defectos. “Es como si se doblara una hoja de papel y posteriormente se hiciera una bolita, cuando ésta vuelve a tomar su forma y aplicas alguna fuerza con la que choca, lo más seguro es que se rompa por la parte donde mayor cambio estructural tuvo, como es la parte doblada”, afirma. A tales fenómenos se les llama esfuerzos, y la idea de este tipo de tecnología es removerlos. Como se ha mencionado, las metodologías son variadas; incluso en la aplicación criogénica hay diversidad.

Los tratamientos en caliente, aplicados desde la década de 1930, buscan homogeneizar las propiedades del centro y de los extremos para que éstos queden iguales, lo que hace el tratamiento térmico propiamente. Algunas técnicas térmicas han sido ampliamente estudiadas y ya existen registros de sus aplicaciones y resultados. Como ejemplo, en el caso ultrasónico se aplican chorros de arena con golpeteos calientes, que pueden alcanzar presiones de hasta 250 megapascales, y en el que los resultados ofrecen una textura bastante notable en los metales. El proceso es popular en latas, toberas y turbinas.

Tratamientos criogénicos

Después del retiro de Randall Barron en 2012, Cryo-Tech, la empresa pionera en dichos tratamientos, se fusionó con algunas instituciones para dirigir sus esfuerzos a la innovación en equipos criogénicos. En el sector nacional no se cuenta aún con una empresa que fabrique este tipo de equipos, aunque el ingeniero Morales resalta: “En la Escuela Superior de Apán (ESAp) contamos con un equipo de esta marca y

la empresa INFRA nos apoya con su mantenimiento. Al cuestionar al personal sobre esta oferta comercial nos dijo que ya existe el servicio, aunque, en lo personal, no tengo certeza del tipo de procedimiento que lleva a cabo”, indica el investigador.

La doctora Chavira, del INM, también resalta la importancia de tener este tipo de equipos en el sector de la refrigeración nacional: “Son tecnologías en las que se debe tener investigación y experimentación; sin embargo, los resultados y beneficios que se han visto hacen que valga la pena la inversión. La tecnología, a pesar de no ser nacional, ya cuenta con difusión y convenios, con los que se busca crear servicios eficientes y reproducibles, pues la oportunidad de negocio que existe es amplia”.

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La aplicación de criogenia también cuenta con variantes o subprocesos, los cuales no se diferencian mucho en su aplicación, pero sí en los resultados:

Tempering. Es un proceso en el que se somete un metal a altas temperaturas para después colocarlo en agua fría o con hielo, lo que genera un choque térmico benéfico, pues se hace inmediatamente. Dependiendo de la temperatura desde la cual se haga descender el metal caliente, su color cambiará, así como sus propiedades. Este proceso inició de forma enteramente empírica y se usa de caliente a frío y viceversa

Hardening. En ocasiones se utiliza como sinónimo de tempering, pero se trata de un procedimiento distinto. En español se conoce como endurecimiento, y hay cinco tipos principales, en los que los rangos de temperatura varían. El proceso consiste en someter a templado en ciertos rangos de temperatura para después descender de forma abrupta este calor; debe hacerse en ambientes controlados a fin de evitar que se oxide, aceite, salmuera, se produzca vapor de boro o nitrógeno

Martempering. Es un tratamiento térmico que implica elevar el acero hasta su punto de austenización (temperatura en la que se forma austenita, aleación que disuelve todo el carbono libre en el metal) para después enfriarlo a una velocidad suficientemente rápida que evite la formación de ferrita, perlita o vainita. Este método provoca que las tensiones y presiones generadas en el acero se puedan controlar

En términos generales, la criogenia implica el endurecimiento de las piezas, que convertirá la estructura del metal en una superficie más fuerte, lo cual ocurre debido a que transforma sus propiedades a una fase de martensita (modificación alotrópica de gran dureza, similar a la ferrita, pero con carbono en solución sólida). La ingeniera Chavira explica que éste el nombre que recibe la fase cristalina BCC en aleaciones ferrosas, que se genera a partir de una transformación de fases sin difusión a una velocidad muy cercana a la velocidad del sonido en el material. “Por extensión, se denomina martensitas a todas las fases que se producen a raíz de una transformación sin difusión de materiales metálicos y recibe su nombre en honor al metalúrgico alemán Adolf Martens”.

Por su parte, el ingeniero Morales afirma: “Desde un punto de vista idealizado, sería deseable que todo el acero estuviera en fase martensita, porque es la más dura; aunque para propósitos de maquinabilidad no es práctica, pues se gastarían todas las elementales, por eso es que se producen aceros que se pueden maquinar muy fácilmente y con procedimientos térmicos en caliente se les cambian sus propiedades”.

A este respecto, si un acero eleva su temperatura hasta 800 grados centígrados empezarán a obtenerse otros aceros, por ello se les aplican tratamientos con agua, aire o frío forzado. En la actualidad, los descensos con gases licuados ayudan a que las caídas de temperatura sean mayores; en consecuencia, el tipo de defecto es mayor. Puede haber mil grados de diferencia en un solo minuto; de esta manera, el material pasa de una fase a otra en pocos segundos.

El fenómeno se puede explicar del siguiente modo: la austenita es el constituyente más denso de los aceros, formado por una solución sólida por inserción de carbono en hierro gamma, que es estable a la temperatura ambiente, pero existen mezclas con cromo y níquel que deben manejarse. La modificación que se dará bajo estos procesos será la eliminación y transformación de las moléculas de carbón y se dará de distinta formas y grados.

Cuando se aplica criogenia en este tipo de metales, el carbón es expulsado de la estructura y se producen granos de carbono que proporcionarán mayor dureza a la martensita. Al hacer el proceso a bajas temperaturas, será posible obtener un material más resistente a la corrosión, al desgaste y a esfuerzos de fatiga al transformarse la estructura del material. “El nivel de dureza que se obtiene estará siempre en función de la profundidad del acero, lo cual significa que entre más se introduce este tratamiento en el interior del metal, su nivel de dureza cae. Los aceros usualmente son muy fuertes por fuera, por dentro muy maleables, por eso se someten a este tipo de tratamientos”, afirma el doctor Morales.

Ambos especialistas recalcan que los tratamientos de calor normalmente se someten a tratamientos de frío para homogeneizar la materia prima, lo que ha cambiado a lo largo del tiempo ha sido la cantidad, el método y las materias primas con los que se aplican.

El doctor Morales relata que, “antes, lo más accesible era el CO2, por ser lo más barato, y se usó erróneamente el término de criogenia cuando se aplicaba con éste; sin embargo, el concepto se refiere a temperaturas inferiores a 153 °C, es decir, muy por debajo de lo que ellos referían en el pasado”.

La técnica es muy utilizada en la manufactura de los discos de automóviles, barras de estabilidad, baleros, herr

amientas de corte, cierras, esmeriles o productos que suelen someterse a grandes esfuerzos, una vez en operación; aunque también es importante decir que en la actualidad ya se exploran otras opciones en su aplicación.

 

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“La criogenia otorga mayor resistencia al desgaste, refinación de los efectos puntuales, mejorías en conductividad eléctrica y acústica, por lo que ya se utiliza en la fabricación de instrumentos musicales o para cables de transmisión”: Alejandro Morales

Ventajas del método
El tratamiento criogénico tiene su materia prima en el nitrógeno, gracias a que es el elemento ideal para alcanzar la temperatura necesaria. Cuando se somete un metal a esta técnica, suelen ser tratamientos muy lentos, del orden de 75 horas, para evitar que se produzcan choques térmicos.

Los aceros tienen la propiedad de endurecerse a temperatura ambiente, a lo cual se le llama envejecimiento. Este proceso se ve acelerado como parte del tratamiento criogénico. Por ejemplo, en lugar de que el envejecimiento de aceros sea a seis meses, se puede reducir a dos horas; aunque a simple vista no existan cambios estructurales, si se analiza microscópicamente, se podrá observar que existen cambios estructurales y químicos.

“Se exploran muchas posibilidades dentro del mismo tratamiento. La industria ha desarrollado varias pruebas en las que se evalúan las piezas con tratamiento criogénico y las piezas que no se someten a él, afirma el ingeniero Morales.

Por su parte, la doctora Elizabeth Chavira señala que “equipos como buriles, ruecas, líneas de suspensión, entre otros, mantienen en la actualidad estrictos estándares de calidad”, lo cual es más sencillo de lograr mediante técnicas criogénicas. Además, la criogenia incrementa la tenacidad sin hacerse frágil, característica propia y exclusiva que no tienen otros tratamientos. Otra de las afecciones se da en el volumen y dura toda la vida en la herramienta; esto traerá un efecto macroscópico en el que aumenta la resistencia al desgaste.

El investigador de la ESAp puntualiza que “en metales como aluminio, bronce y latón es menos usada; sin embargo, cuando se ha evaluado también se ha visto que otorga mayor resistencia al desgaste, hay más estabilidad dimensional, refinación de los efectos puntuales, mejorías en conductividad eléctrica y acústica, por lo que ya se utiliza en la fabricación de instrumentos musicales o para cables de transmisión, gracias a que hay un dos o tres por ciento más de resistencia eléctrica que permite transportar más corriente”.

“Los equipos que vienen del extranjero se rigen por las normas establecidas en sus países de origen. Una de las grandes diferencias es que las que se importan pasan por un proceso de criogenia, mientras que las hechas en la industria nacional no”: Elizabeth Chavira

La aplicación en México
El tratamiento de criogenia puede resultar muy caro. Aproximadamente, un litro de nitrógeno oscila entre 28 y 30 pesos, además del costo de flete. Si se considera que por cada tonelada de acero se necesitan aproximadamente 800 litros de nitrógeno, la inversión requerida se vuelve considerable, lo que ha impedido la expansión de su popularidad en territorio nacional.

En EUA y Europa es muy usado (sobre todo debido a que el precio es hasta cinco veces menor), mientras que en México existen muchas empresas proveedoras para las marcas automotrices que se sirven del proceso. A este respecto, el ingeniero Morales comenta: “Las piezas originales normalmente vienen del extranjero, pero las refacciones ya se producen aquí; si se compara la refacción original con la hecha en la industria nacional, hay mucha diferencia. Esto se puede corroborar si se estudian las hojas de datos de las empresas nacionales, pues, en comparación con las extranjeras, los estándares de calidad son distintos”, comenta.

Por su parte, la especialista en materiales de la UNAM destaca que “los equipos que vienen del extranjero se rigen por las normas establecidas en sus países de origen. Una de las grandes diferencias es que las que se importan pasan por un proceso de criogenia, mientras que las hechas en la industria nacional no”.

En general, la industria de la refrigeración y de manufactura de productos metalmecánicos no ha explorado mucho este campo. A pesar de ello, difundir su aplicación significaría ventajas considerables en términos ambientales, porque, finalmente, el nitrógeno es muy accesible, al representar el 79 por ciento del aire que se respira y al estar disponible en abundancia, ya también existen equipos que lo transforman y lo utilizan.

En México, se han llevado a cabo investigaciones criogénicas sobre diversos metales, como el aluminio, el acero o el cobre, las cuales han arrojado buenos resultados; no obstante, sí se presentan diferencias en cuanto al comportamiento que tienen los metales a bajas temperaturas, debido a que algunos son maleables y dúctiles a temperatura ambiente y cuando se congelan se hacen tenaces, o viceversa.

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Según el ingeniero Morales, la industria de la refrigeración puede tener gran participación y ya se trabaja en este sentido: “Uno de los objetivos que se ha planteado la ESAp es estudiar más la técnica y difundirla; esto, porque la industria de la refrigeración ya tiene su propio nicho y no ha tratado de explorar otras áreas. No se sabe si es por miedo o por desconocimiento, pero la industria nacional ya no está lejos de conseguir este tipo de tecnología. En la actualidad, ya se fabrican equipos que llegan a -20 grados centígrados, así que dar el siguiente paso está muy cerca”, afirma el investigador.

Al cuestionar a los especialistas acerca de la capacitación que se requiere, coinciden en que este dependerá del procedimiento, pues a nivel operativo lo puede manejar un técnico que tenga los conocimientos y precauciones en cuanto al manejo del nitrógeno líquido; en cambio, si lo que se desea es experimentar o hacer investigación sobre el tema, entonces, por obvias razones, se requerirá de una mayor capacitación.

Cabe destacar que otra de las bondades con las que cuenta este tipo de tratamiento es que no deja ningún tipo de residuos, gracias a que el nitrógeno que se utiliza se evapora a temperatura ambiente.

El panorama, entonces, resulta vasto, pero depende mucho de los sectores que justifiquen su uso, ya que su costo puede ser una limitante; no obstante, en grandes volúmenes, este aspecto puede verse revertido. Igualmente, con base en los estudios que se han realizado, la aplicación está por completo justificada, pues una broca de carburo bajo este tipo de proceso podrá triplicar su vida útil; si se piensa en las posibilidades que puede brindar en motores, amortiguadores o muchos otros equipos, los costos de investigación e inversión están más que justificados.

Actualmente, existen equipos diseñados para optimizar el proceso, y aunque puede decirse que el proceso es sencillo, al momento de intentarlo se ve su complejidad, debido a que conseguir las condiciones adecuadas en el control de humedad, proporción de frío y tiempo exige gran precaución. Las normas existentes en el mundo son patentes y se aplican en el protocolo industrial.

La generación e incentivo de nuevas tecnologías en la industria de la refrigeración pueden presentar varias oportunidades en equipamiento, esto propiciará mayor competitividad en el sector nacional

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