Evaluación de alternativas sobre dispositivos de ...
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Universidad Distrital Francisco José de Caldas Carrera 7 No. 40B - 53
Bogotá D.C. - República de Colombia Facultad de Ingeniería, Proyecto Curricular de Ingeniería Industrial
TRABAJO DE GRADO
Presentada por:
Andrés Felipe ROJAS LÓPEZ
(COD: 20131015076)
Eliana Vanessa BURGOS CARDOZO (COD: 20131015068)
Para obtener el título de
INGENIERO INDUSTRIAL
Tema del proyecto:
Evaluación de alternativas sobre dispositivos de refrigeración con fuentes de energía no convencional para las zonas no
interconectadas de Colombia
(Evaluation of alternatives on refrigeration devices with non-conventional energy sources for the non-interconnected zones of Colombia)
Sustentada de manera pública el día 21 de febrero de 2019, con la comisión de evaluación compuesta por:
Ing. Julian TRISTANCHO PhD Director del proyecto Ing. Gilberto ENCINALES MSc Jurado
ii
Tabla de Contenido
Tabla de Contenido ................................................................................................................. ii
Resumen ................................................................................................................................ vi
Abstract ............................................................................................................................... viii
Dedicatoria ............................................................................................................................. x
Agradecimientos .................................................................................................................... xi
Lista de figuras ...................................................................................................................... xii
Lista de tablas ....................................................................................................................... xiv
Glosario ................................................................................................................................. xvi
Nomenclatura ...................................................................................................................... xvii
Capítulo 1. Planteamiento del proyecto ......................................................................... 18
1.1. Introducción ..................................................................................................................... 18
1.2. Justificación ...................................................................................................................... 19
1.3. Objetivos .......................................................................................................................... 21
1.4. Metodología ..................................................................................................................... 23
Capítulo 2. Caracterización de las ZNI ............................................................................ 25
2.1. Introducción ..................................................................................................................... 25
2.2. Ubicación y distribución de usuarios en las ZNI .............................................................. 25
2.3. Problemas de desarrollo en ZNI ....................................................................................... 27
2.4. Entidades a cargo y fondos de inversión ......................................................................... 28
2.5. Prestación de energía ...................................................................................................... 29
2.6. Proyectos de expansión de cobertura ............................................................................. 30
2.7. Características regionales ................................................................................................ 31
2.7.1. Región Pacífica .......................................................................................................................... 32
2.7.2. Región Amazónica .................................................................................................................... 33
2.7.3. Región Insular ........................................................................................................................... 34
2.7.4. Región Orinoquía ...................................................................................................................... 35
2.7.5. Región Andina ........................................................................................................................... 36
2.7.6. Región Caribe ............................................................................................................................ 36
iii
2.8. Análisis comparativo entre regiones ............................................................................... 37
2.9. Necesidades de refrigeración en las ZNI .......................................................................... 39
2.10. La Seguridad Alimentaria ................................................................................................. 40
2.11. Aplicaciones específicas de la refrigeración .................................................................... 43
2.11.1. La refrigeración de alimentos .............................................................................................. 43
2.11.2. La pesca y la acuicultura ...................................................................................................... 45
2.11.3. La refrigeración de vacunas ................................................................................................. 46
2.12. Árbol de problemas y árbol de soluciones sobre la refrigeración ................................... 48
Capítulo 3. Marco teórico y referencial .......................................................................... 53
3.1. Introducción ..................................................................................................................... 53
3.2. Fuentes no convencionales de energía ........................................................................... 53
3.2.1. Energía eólica............................................................................................................................ 54
3.2.2. Energía solar ............................................................................................................................. 55
3.2.3. Energía con biomasa ................................................................................................................. 57
3.2.4. Energía geotérmica ................................................................................................................... 59
3.3. Tecnologías de refrigeración con fuentes de energía no convencional .......................... 61
3.3.1. Refrigeración por compresión mecánica o de vapor ................................................................ 62
3.3.2. Refrigeración impulsada por sorción de calor .......................................................................... 63
3.3.3. Refrigeración termoeléctrica .................................................................................................... 66
3.3.4. Refrigeración Stirling ................................................................................................................ 67
3.3.5. Otras tecnologías de refrigeración ........................................................................................... 68
3.4. Proyectos de refrigeración usando fuentes de energía no convencional ....................... 71
3.4.1. SolarChill ................................................................................................................................... 71
3.4.2. SunDanzer ................................................................................................................................. 72
3.4.3. Dulas ......................................................................................................................................... 73
3.4.4. Máquinas de Hielo ISAAC ......................................................................................................... 74
3.4.5. Solaref ....................................................................................................................................... 76
3.5. Elección de la tecnología de refrigeración ....................................................................... 76
3.5.1. Despliegue de la función de calidad QFD ................................................................................. 76
3.5.2. Análisis jerárquico de decisión ................................................................................................. 78
Capítulo 4. Desarrollo metodológico .............................................................................. 80
4.1. Introducción ..................................................................................................................... 80
4.2. Variables e indicadores técnicos de evaluación .............................................................. 80
4.3. Comparativa entre las tecnologías de refrigeración ........................................................ 84
4.4. Análisis competitivo entre las tecnologías de refrigeración ............................................ 91
iv
4.5. Selección de la tecnología de refrigeración ..................................................................... 96
4.6. Caracterización básica de funcionamiento del dispositivo de refrigeración ................. 104
4.7. Proceso de diseño para la definición de parámetros .................................................... 107
4.8. Cálculo de parámetros ................................................................................................... 111
4.8.1. Cálculo de la carga total de enfriamiento ............................................................................... 114
4.8.2. Calor de generación ................................................................................................................ 116
4.8.3. Volumen del tanque de almacenamiento .............................................................................. 119
4.8.4. Calor de pérdida en el tanque ................................................................................................ 120
4.8.5. Área del colector solar ............................................................................................................ 121
4.8.6. Coeficiente de rendimiento COP ............................................................................................ 121
4.8.7. Plano del dispositivo ............................................................................................................... 122
4.9. Análisis de sensibilidad .................................................................................................. 124
4.10. Simulación del modelo .................................................................................................. 128
4.11. Cálculo del costo y comparación con otros dispositivos similares ................................ 136
4.12. Variaciones del diseño según departamento ................................................................ 141
Capítulo 5. Conclusiones ............................................................................................... 146
5.1. Conclusiones .................................................................................................................. 146
5.2. Recomendaciones .......................................................................................................... 149
Referencias bibliográficas ................................................................................................... 150
Anexos................................................................................................................................. 165
Anexo 1. Inversión en proyectos por parte del IPSE entre el periodo 2014 - 2018.................... 165
Anexo 2. Prestación de energía en localidades con y sin telemetría.......................................... 165
Anexo 3. Inversión privada requerida en proyectos de expansión ............................................ 168
Anexo 4. Proporción de municipios pertenecientes a las ZNI por departamento. .................... 169
Anexo 5. Proporción de necesidades básicas insatisfechas en los departamentos con ZNI ...... 170
Anexo 6. Defunciones de menores de un año por cada mil nacidos vivos en los departamentos
de Colombia ................................................................................................................................ 171
Anexo 7. Distribución del uso del suelo en los departamentos principales con ZNI .................. 172
Anexo 8. Gráficos de productos agrícolas cultivados por hectáreas .......................................... 173
Anexo 9. Mapa del estado de la información pesquera en Colombia ........................................ 176
v
Anexo 10. Tasa de vacunación BCG y Pentavalente en los departamentos con ZNI. ................. 177
Anexo 11. Mapa densidad energía eólica ................................................................................... 178
Anexo 12. Mapa de irradiación solar ......................................................................................... 179
Anexo 13. Mapa potencial energético utilizando biomasa ........................................................ 180
Anexo 14. Relación de consistencia de las matrices del análisis jerárquico de decisión ........... 181
Anexo 15. Propiedades del agua ................................................................................................ 182
Anexo 16. Calor específico del agua .......................................................................................... 183
Anexo 17. Calor específico de diferentes sustancias .................................................................. 184
Anexo 18. Punto de fusión y ebullición para varias sustancias ................................................. 185
Anexo 19. Propiedades del refrigerante amoniaco ................................................................... 186
Anexo 20. Diagrama de presión vs temperatura en solución acuosa de amoniaco .................. 187
vi
Resumen
En el presente documento se desarrolla un análisis sobre las tecnologías de refrigeración que
funcionan a partir de fuentes no convencionales de energía con el propósito de identificar la
tecnología más adecuada para las Zonas No Interconectadas de Colombia (ZNI), las cuales son
regiones en el país que no pertenecen al Sistema Interconectado Nacional (SIN) y que por lo tanto
presentan dificultades con el acceso a la energía eléctrica. El propósito principal de esta
investigación es la caracterización de un dispositivo de refrigeración ideal y adaptable al contexto de
las ZNI en Colombia.
En primer lugar, es importante resaltar que el presente trabajo se enfoca en una propuesta para
solucionar una problemática específica de las ZNI, ya que a pesar de que el proyecto de
energización de las zonas es prioritario, existen numerosas barreras que han impedido cumplir con
este objetivo, teniendo que, de acuerdo con diversos proyectos gubernamentales, se calculan
importantes inversiones de dinero y tiempo para cumplir con la universalización de la energía en el
país.
A continuación, se describe el contenido de cada uno de los capítulos desarrollados:
En el Capítulo 1 se realiza una presentación sobre el planteamiento del proyecto, identificando la
pregunta de investigación principal, así como el objetivo general y los cuatro objetivos específicos
junto con la localización del logro en el documento. También se describe la metodología de
investigación.
En el Capítulo 2 se desarrolla una caracterización de las ZNI a partir de revisión bibliográfica,
estableciendo un marco de información para identificar la importancia del proceso de refrigeración en
relación con las necesidades de los habitantes de las ZNI sobre tres ejes: económico, social y salud.
Se describen los principales problemas y limitaciones, los proyectos de inversión, las características
particulares en cada región según los tres ejes de investigación y las necesidades principales en
relación con las limitaciones en el acceso a la refrigeración. Al finalizar se presenta un árbol de
problemas representativo que permite visualizar las causas y consecuencias alrededor de las
limitaciones técnicas para refrigerar y congelar productos perecederos. Así mismo se presenta un
árbol de soluciones en el cual se plantean los objetivos para la mitigación de las consecuencias
problemáticas principales.
En el Capítulo 3 se presenta un marco teórico y referencial sobre fuentes no convencionales de
energía (FNCE) y tecnologías de refrigeración. Sobre las FNCE se identifican sus principales
vii
ventajas y desventajas, así como los principales usos en Colombia y en el mundo. Luego se
identifican las principales tecnologías de refrigeración adaptables a las condiciones de las zonas
aisladas a la red de energía eléctrica, entre las cuales se identifican cinco principales: compresión,
absorción, adsorción, termoeléctrica y Stirling. Se realiza una descripción sobre el ciclo de
funcionamiento de cada una de ellas, así como algunos casos de éxito en contextos similares al de
la presente problemática. Se identifican también las principales variaciones técnicas para la
evaluación de cada tecnología, así como también se describen los conceptos teóricos sobre la Casa
de la Calidad (perteneciente al Despliegue de la Función de Calidad) y el Análisis Jerárquico de
Decisión, como metodologías de análisis y selección.
En el Capítulo 4 se realiza el desarrollo metodológico del proyecto iniciando con el establecimiento
de 14 variables técnicas consideradas fundamentales para la caracterización de cada tecnología, de
manera que sirviesen de base para la realización de una comparación cuantitativa entre cada una de
ellas. Posteriormente se desarrolla un análisis comparativo entre las tecnologías principales de
refrigeración (tecnologías de compresión, absorción, adsorción, termoeléctrica y Stirling) empleando
los dos tipos de herramientas de análisis y selección. En primer lugar, se procede con la aplicación
de la Casa de la Calidad a partir de lo cual se obtienen valoraciones cuantitativas al relacionar
requerimientos técnicos con las necesidades de la población. Con esta información se procede a
realizar el Análisis Jerárquico de Decisión según lo cual la tecnología de absorción con
funcionamiento a partir de energía solar obtiene el mayor puntaje. Posteriormente se definen y
calculan parámetros para un dispositivo de refrigeración por absorción con ciclo intermitente con
suministro energético de colector solar de placa plana. Se realiza un análisis de sensibilidad sobre
las variables principales en el diseño con el objeto de observar su comportamiento en función de las
demás. También se desarrolla una validación matemática del diseño a través del software de
simulación de procesos químicos Aspen Hysys V9. Se presenta un esquema con los componentes y
dimensiones aproximadas del dispositivo a través de la herramienta CAD (Diseño asistido por
computador por sus siglas en inglés) SolidWorks. Se realiza una evaluación económica de
producción aproximada del dispositivo, para posteriormente comparar el diseño con otros
dispositivos similares en el mercado. Finalmente se presentan las posibles variaciones técnicas en el
dispositivo según las características climatológicas (temperatura ambiente e irradiación) de cada
región en ZNI.
Los resultados de este trabajo son útiles para el desarrollo de prototipos finales de refrigeración por
absorción basados en el dispositivo propuesto, así como la formulación de proyectos de
implementación y difusión de esta tecnología, lo cual puede ser de interés para entidades
gubernamentales interesadas en el desarrollo de soluciones que mejoren la calidad de vida de los
habitantes de las ZNI. Los resultados son también de utilidad para investigaciones interesadas en el
mejoramiento de tecnologías de refrigeración particulares, al considerar sus principales ventajas y
desventajas aquí descritas, en relación con su demanda en contextos fuera de la red.
viii
Abstract
In this document, an analysis is developed on refrigeration technologies that work from
unconventional sources of energy with the purpose of identifying the most appropriate technology for
the Non-Interconnected Zones of Colombia (ZNI), which are regions in the country. They do not
belong to the National Interconnected System (SIN) and therefore have difficulties with access to
electricity. The main purpose of this research is the characterization of an ideal refrigeration device
that can be adapted to the context of the ZNI in Colombia.
First, it is important to highlight that this work focuses on a proposal to solve a specific problem of the
ZNI, since despite the fact that the energization project of the zones is a priority, there are numerous
barriers that have prevented compliance with this objective, having that, in agreement with diverse
governmental projects, important investments of money and time are calculated to fulfill with the
universalization of the energy in the country.
Next, the content of each one of the developed chapters is described:
In Chapter 1 a presentation is made on the project approach, identifying the main research question,
as well as the general objective and the four specific objectives together with the location of the
achievement in the document. The research methodology is also described.
In Chapter 2 a characterization of the ZNI is developed from a bibliographic review, establishing an
information framework to identify the importance of the refrigeration process in relation to the needs
of the inhabitants of the ZNI on three axes: economic, social and health. The main problems and
limitations are described, the investment projects, the characteristics in each region according to the
three research axes and the main needs in relation to the limitations in access to refrigeration. At the
end a representative problem tree is presented that allows to visualize the causes and consequences
around the technical limitations to refrigerate and freeze perishable products. Likewise, a tree of
solutions is presented in which the objectives for the mitigation of the main problematic
consequences are presented.
Chapter 3 presents a theoretical and referential framework on unconventional energy sources
(FNCE) and refrigeration technologies. The main advantages and disadvantages of the FNCE are
identified, as well as the main uses in Colombia and in the world. Then, the main refrigeration
technologies adaptable to the conditions of the isolated areas to the electric power grid are identified,
among which five main ones are identified: compression, absorption, adsorption, thermoelectric and
Stirling. A description is made of the cycle of operation of each of them, as well as some success
stories in contexts like the present problem. The main technical variations for the evaluation of each
ix
technology are also identified, as well as the theoretical concepts about the House of Quality
(pertaining to the Deployment of the Quality Function) and the Hierarchical Decision Analysis, as
methodologies of analysis and selection.
In Chapter 4, the methodological development of the project is carried out, starting with the
establishment of 14 technical variables that are considered fundamental for the characterization of
each technology, so that they serve as a base for the realization of a quantitative comparison
between each of them. Subsequently, a comparative analysis is developed between the main cooling
technologies (compression, absorption, adsorption, thermoelectric and Stirling technologies) using
the two types of analysis and selection tools. First, we proceed with the application of the House of
Quality from which quantitative assessments are obtained by relating technical requirements with the
needs of the population. With this information we proceed to perform the Hierarchical Decision
Analysis according to which the absorption technology with solar energy operation obtains the
highest score. Subsequently, parameters are defined and calculated for an absorption refrigeration
device with an intermittent cycle with energy supply from a flat plate solar collector. A sensitivity
analysis is carried out on the main variables in the design in order to observe their behavior
according to the others. A mathematical validation of the design is also developed through the
chemical process simulation software Aspen Hysys V9. A schematic with the components and
approximate dimensions of the device is presented through the CAD tool (Computer-aided Design)
SolidWorks. An economic evaluation of approximate production of the device is made, to later
compare the design with other similar devices in the market. Finally, the possible technical variations
in the device according to the climatological characteristics (ambient temperature and irradiation) of
each region in ZNI are presented.
The results of this work are useful for the development of final prototypes of refrigeration by
absorption based on the proposed device, as well as the formulation of implementation projects and
dissemination of this technology, which may be of interest to government entities interested in the
development of solutions that improve the quality of life of the inhabitants of the ZNI. The results are
also useful for research interested in the improvement of cooling technologies, considering their main
advantages and disadvantages described here, in relation to their demand in contexts outside the
network.
x
Dedicatoria
Dedicado a madre María Beatriz, mujer de valores y virtudes
ejemplares. A mis familiares y a mis amigos, por su
acompañamiento y apoyo en mi proceso de formación. A la
Universidad Distrital F. J. C., por brindarme a mí y a la sociedad
espacios y recursos para el aprendizaje, la investigación y la
reflexión dentro de los saberes de la ciencia, a favor del desarrollo
como profesionales y seres humanos.
Andrés Felipe Rojas López
Dedicado a mi mamá y mi papá por el esfuerzo que hicieron para
que yo pudiera estudiar, y a los profesores que enseñan con
dedicación, amor y respeto.
Eliana Vanessa Burgos Cardozo
xi
Agradecimientos
Agradecemos a cada uno de nuestros familiares y amigos por ser una fuente de motivación y de
apoyo incondicional tanto en el desarrollo del presente proyecto como de nuestro proceso de
formación como Ingenieros Industriales. Agradecemos también a nuestro docente director, el Dr.
Julián Tristancho, por aportar su conocimiento y experiencia en la asesoría y el desarrollo del
proyecto. Finalmente agradecemos a la Universidad Distrital F. J. C. centro de producción y
reproducción del conocimiento, la cual nos brindó los espacios, los recursos y las herramientas
necesarias para nuestra formación en la excelencia como profesionales, ingenieros, ciudadanos y
seres humanos promotores de valores y saberes.
xii
Lista de figuras
Figura 1. Localización de usuarios en las ZNI según el Centro Nacional de Monitoreo (CNM). ........ 26
Figura 2. Distribución de usuarios en ZNI por departamento. ............................................................ 27
Figura 3. Diagrama causal del problema de desarrollo de las comunidades rurales aisladas no
interconectadas.................................................................................................................................. 28
Figura 4. Proporción de inversión requerida y VSS beneficiadas a través de soluciones de
energización por soluciones aisladas e interconexión al SIN. ............................................................ 31
Figura 5. Toneladas desechadas por producto anualmente en Colombia. ........................................ 41
Figura 6. Toneladas desechadas por etapa anualmente en Colombia. ............................................. 41
Figura 7. Árbol de problemas sobre la problemática de refrigeración en ZNI. ................................... 50
Figura 8. Árbol de objetivos alrededor la problemática de refrigeración en ZNI. ................................ 52
Figura 9. Esquema de componentes para la generación de energía eólica. ..................................... 55
Figura 10. Esquema de componentes de un sistema solar fotovoltaico ............................................ 56
Figura 11. Esquema de componentes de un sistema de energía solar térmica. ................................ 56
Figura 12. Central de cogeneración mediante biomasa ..................................................................... 58
Figura 13. Yacimiento geotérmico de alta temperatura. .................................................................... 60
Figura 14. Representación de un sistema de refrigeración por compresión de vapor. ...................... 62
Figura 15. Ciclo básico de refrigeración por absorción. ..................................................................... 64
Figura 16. Componentes de un refrigerador solar por adsorción. ...................................................... 65
Figura 17. Componentes en un refrigerador termoeléctrico. .............................................................. 67
Figura 18. Diagrama de un refrigerador Stirling ................................................................................. 68
Figura 19. Ciclo de refrigeración por eyector. .................................................................................... 69
Figura 20. Diagrama de partes de un sistema de refrigeración magnética. ....................................... 70
Figura 21. Diagrama esquemático de una onda de sonido en un refrigerados termoacústico. .......... 71
Figura 22. Diagrama (izquierda) y fotografía real (derecha) del dispositivo Solarchill: refrigerador por
accionamiento solar directo. .............................................................................................................. 72
Figura 23. Instalación de tres unidades de máquinas de hielo ISAAC en la ciudad de Kilifi (Kenia). 75
Figura 24. Diagrama de ciclo de funcionamiento de la máquina de hielo ISAAC durante el día
(izquierda) y durante la noche (derecha). .......................................................................................... 75
Figura 25. Partes principales en la Casa de la Calidad. .................................................................... 77
Figura 26. Aplicación de la Casa De La Calidad para el análisis de las tecnologías de refrigeración.
Fuente: Elaboración propia ................................................................................................................ 95
Figura 27. Esquema del ciclo de refrigeración por absorción intermitente para el diseño del
dispositivo. ....................................................................................................................................... 105
Figura 28. Esquema de componentes del sistema intermitente de refrigeración por absorción. ..... 106
Figura 29. Plano del refrigerador por absorción propuesto. ............................................................. 123
xiii
Figura 30. Variación del área del colector solar y el coeficiente de rendimiento en función de la carga
de enfriamiento ................................................................................................................................ 124
Figura 31. Variación del área del colector solar y el coeficiente de rendimiento en función del espesor
de la cámara de enfriamiento........................................................................................................... 125
Figura 32. Variación de la masa de la masa de fluido secundario y en el volumen del tanque de
refrigerante en función del espesor de la cámara frigorífica. ........................................................... 126
Figura 33. Variación del área del colector solar y el COP en función de la temperatura ambiente
manteniendo el espesor constante .................................................................................................. 127
Figura 34. Variación del espesor de la cámara de enfriamiento y el COP manteniendo constante el
área del colector solar ...................................................................................................................... 128
Figura 35. Simulación del ciclo de refrigeración por absorción en Aspen Hysys V9 según diseño
propuesto. ........................................................................................................................................ 129
Figura 36. Resultados de la simulación del ciclo de absorción diseñado a través Aspen Hysys V9.133
Figura 37. Magnitudes aproximadas en el área del colector solar y el COP, por departamento en ZNI
......................................................................................................................................................... 142
Figura 38. Magnitudes aproximadas en el espesor de la cámara frigorífica y el volumen del tanque,
por departamento en ZNI ................................................................................................................. 144
Figura 39. Número de localidades en ZNI con telemetría según horas de prestación de energía diaria
(CM: Cabecera municipal). .............................................................................................................. 166
Figura 40. Prestación de energía diaria en ZNI sin telemetría (de las cuales se tiene información)
según el número de usuarios. (CM: Cabecera municipal) ............................................................... 167
Figura 41. Hectáreas utilizadas para siembra de tubérculos ........................................................... 173
Figura 42. Hectáreas utilizadas para siembra de frutas. .................................................................. 174
Figura 43. Hectáreas utilizadas para siembra de cereales. ............................................................. 174
Figura 44. Hectáreas utilizadas para siembra de flores, verduras, entre otras. ............................... 175
Figura 45. Mapa del estado de la información pesquera en Colombia. ........................................... 176
Figura 46. Mapa de densidad eólica de Colombia. .......................................................................... 178
Figura 47. Mapa de irradiación solar de Colombia. .......................................................................... 179
Figura 48. Mapa de potencial energético utilizando biomasa en el país. ......................................... 180
xiv
Lista de tablas
Tabla 1. Localización de cumplimiento de objetivos específicos. ...................................................... 22
Tabla 2. Comparación entre las características sociales, de salud y económicas entre las regiones
de Colombia con ZNI. ........................................................................................................................ 38
Tabla 3. Consumo de energía para los electrodomésticos en la curva de carga horaria. .................. 40
Tabla 4. Condiciones óptimas y tiempo de conservación de alimentos cultivados y consumidos en las
ZNI. .................................................................................................................................................... 44
Tabla 5. Periodo de conservación de productos de origen animal en refrigeración y congelación. ... 45
Tabla 6. Estabilidad de las principales vacunas en Colombia según temperaturas de conservación. 47
Tabla 7. Irradiación promedio en las regiones de Colombia. ............................................................. 57
Tabla 8. Características dispositivo SunDanzer. ................................................................................ 73
Tabla 9. Características del dispositivo Dulas. ................................................................................... 74
Tabla 10. Cuadro comparativo entre las tecnologías de refrigeración con fuentes no convencionales
de energía. ......................................................................................................................................... 85
Tabla 11. Requerimientos de los usuarios de las ZNI para el dispositivo de refrigeración. ............... 91
Tabla 12. Requisitos técnicos para el dispositivo de refrigeración. .................................................... 92
Tabla 13. Escala de preferencias entre dos aspectos – Análisis Jerárquico de decisión. ................. 96
Tabla 14. Matriz de comparación entre los criterios de decisión (requerimientos de los usuarios),
teniendo en cuenta el peso o importancia según QFD. ..................................................................... 97
Tabla 15. Normalización de la matriz de comparación entre los criterios de decisión. ...................... 98
Tabla 16. Representación simbólica de las tecnologías en matrices de comparación....................... 99
Tabla 17. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de refrigeración de frutas y
verduras. ............................................................................................................................................ 99
Tabla 18. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de refrigeración de carnes. 99
Tabla 19. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de refrigeración de vacunas.
......................................................................................................................................................... 100
Tabla 20. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de bajo consumo energético.
......................................................................................................................................................... 100
Tabla 21. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de alto ciclo de vida. ....... 100
Tabla 22. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de bajo impacto ambiental.
......................................................................................................................................................... 101
Tabla 23. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de bajo costo................... 101
Tabla 24. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de bajo requerimiento de
mantenimiento. ................................................................................................................................ 101
Tabla 25. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de suministro energético no
convencional. ................................................................................................................................... 101
Tabla 26. Resultados finales sobre la comparación competitiva entre las tecnologías de refrigeración
según el Análisis Jerárquico de Decisión. ........................................................................................ 103
xv
Tabla 27. Capacidad de almacenamiento de algunos productos básicos, en una cámara de 64 l .. 112
Tabla 28. Entalpias asociadas a los diferentes estados del refrigerante y el agua en el sistema. ... 119
Tabla 29. Relación entre los componentes del diseño y los componentes empleados en la
simulación. ....................................................................................................................................... 130
Tabla 30. Comparación entre parámetros en el modelo y parámetros de entrada dentro de la
simulación. ....................................................................................................................................... 131
Tabla 31. Comparación entre variables en el modelo y variables de salida en la simulación. ......... 134
Tabla 32. Magnitudes finales en variables modificadas según la simulación en Aspen Hysys V9 .. 135
Tabla 33. Cálculo aproximado del costo del dispositivo teniendo en cuenta materia prima ............. 137
Tabla 34. Valor del indicador 𝑈 para diferentes dispositivos similares al prototipo del proyecto ..... 140
Tabla 35. Variaciones aproximadas en el área del colector solar y el COP por departamento en ZNI
con respecto al modelo desarrollado ............................................................................................... 141
Tabla 36. Variaciones aproximadas en espesor de la cámara frigorífica y el volumen del tanque por
departamento en ZNI con respecto al modelo desarrollado............................................................. 143
Tabla 37. Inversión en proyectos por parte de IPSE en el periodo 2014 - 2018. ............................. 165
Tabla 38. Número de localidades de las ZNI sin telemetría de las cuales se tiene información, según
la prestación del servicio de energía diario ...................................................................................... 167
Tabla 39. Inversión privada (Operadores de Red) para el cubrimiento de necesidades energéticas
por departamento ............................................................................................................................. 168
Tabla 40. Proporción de municipios pertenecientes a las ZNI por departamento ............................ 169
Tabla 41. Proporción de NBI en los departamentos con ZNI ........................................................... 170
Tabla 42. Defunciones de menores de un año por cada mil nacidos vivos en los departamentos de
Colombia .......................................................................................................................................... 171
Tabla 43. Distribución del uso del suelo en los departamentos principales con ZNI ........................ 172
Tabla 44. Distribución del uso del suelo para actividad agropecuaria en los departamentos
principales con ZNI .......................................................................................................................... 173
Tabla 45. Cobertura en vacunación BCG y pentavalente en los departamentos con ZNI. .............. 177
Tabla 46. Resultados relación de consistencia análisis jerárquico .................................................. 181
Tabla 47. Propiedades del agua ...................................................................................................... 182
Tabla 48. Calor específico del agua entre 0°C y 100 °C ................................................................. 183
Tabla 49. Calor específico de diferentes sustancias ........................................................................ 184
Tabla 50. Punto de fusión (𝑃𝐹), calor latente de fusión (𝐿𝑓), punto de ebullición (𝑃𝐸) y calor
latente de vaporización (𝐿𝑣), para varias sustancias a 1 Atm. ....................................................... 185
Tabla 51. Propiedades del refrigerante amoniaco ........................................................................... 186
Tabla 52. Diagrama de presión vs temperatura en solución acuosa de amoniaco .......................... 187
xvi
Glosario
CNM: Centro Nacional de Monitoreo.
COP: Coeficiente de Rendimiento.
DANE: Departamento Administrativo Nacional de Estadística.
DNP: Departamento Nacional de Planeación.
ECV: Encuesta de Condiciones de Vida.
FAO: Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura.
FNCER: Fuentes No Convencionales de Energía Renovable
GEI: Gases de Efecto Invernadero.
IPSE: Instituto de Planificación y Promoción de Soluciones Energéticas para las Zonas No Interconectadas.
MADR: Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural.
MCE: Efecto Magneto Calórico.
MCM: Material Magneto Calórico.
MME: Ministerio de Minas y Energía.
NBI: Necesidades Básicas Insatisfechas.
OCDE: Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos.
OMS: Organización Mundial de la Salud.
PAI: Programa Ampliado de Inmunizaciones.
PCM: Sistemas Termoeléctricos con Material de Cambio de Fase.
PEN: Plan Energético Nacional.
PERS: Planes de Energización Rural Sostenible.
PIEC: Plan Indicativo de Expansión de Cobertura de Energía Eléctrica.
PTSP: Plan Todos Somos PAZcífico.
QFD: Despliegue de la función calidad (Quality Function Deployment).
SEPEC: Servicio Estadístico Pesquero Colombiano.
SIN: Sistema Interconectado Nacional Colombiano.
UPME: Unidad de Planeación Minero-Energética.
VSS: Viviendas Sin Servicio.
xvii
Nomenclatura 𝐴𝐶 : Área del colector solar.
𝐴𝑠: Área de transferencia de calor
𝐶𝑂𝑃: Coeficiente de rendimiento teórico
de un dispositivo de refrigeración.
𝑒: espesor de la pared de la caja de
enfriamiento
𝑓𝑟𝑐: Factor de evacuación de calor del
colector solar
ℎ𝐶𝐴: Entalpia del agua en solución
concentrada
ℎ𝐶𝑅: Entalpia del refrigerante en solución
concentrada
ℎ𝐷𝐴: Entalpia del agua en solución de
concentración débil
ℎ𝐷𝑅: Entalpia del refrigerante en solución
de concentración débil
ℎ𝑒: Coeficiente de convección del
material de las paredes del tanque de
generación.
ℎ𝑅: Entalpia del refrigerante.
hevap: Entalpía del vapor de refrigerante
saturado.
ℎ𝑐𝑜𝑛𝑑: Entalpía del refrigerante líquido
saturado.
𝑘: Conductividad térmica
𝑚: masa
𝑀𝐶 : flujo másico de la solución
concentrada.
��𝐶𝐴: Flujo másico del agua en solución
concentrada.
��𝐶𝑅: Flujo másico del refrigerante en
solución concentrada.
𝑀𝐷: flujo másico de la solución con
concentración débil.
��𝐷𝐴: Flujo másico del agua en solución
de concentración débil.
��𝐷𝑅: Flujo másico del refrigerante en
solución de concentración débil.
��𝑅: Flujo másico del refrigerante.
𝑄𝑓𝑠: Carga de calor del fluido secundario
(𝐻2𝑂)
𝑄𝑖: Carga del producto a enfriar.
𝑄𝐼𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒: Calor incidente en el lugar de
irradiación solar.
𝑄𝐺: Calor de generación.
𝑄𝑃: Ganancia de calor por paredes.
𝑄𝑇: Carga total de enfriamiento.
𝑄𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒: Calor de pérdida a través de las
paredes del tanque de generación.
𝑇𝑎𝑙𝑚: Temperatura de almacenamiento.
𝑇𝐺𝑒𝑛: Temperatura del proceso de
generación.
𝑇𝑜: Temperatura ambiente.
𝑉𝐿𝐴: Densidad volumétrica del agua
𝑉𝐿𝑅: Densidad volumétrica del
refrigerante
𝑉𝑆𝑜𝑙: Densidad volumétrica de la solución
concentrada
𝑋𝐶𝑀: Concentración molar en la solución
concentrada de refrigerante.
𝑋𝐶𝑤: Porcentaje de masa de refrigerante
en la solución concentrada.
𝑋𝐷𝑀: Concentración molar en la solución
de débil concentración de refrigerante.
𝑋𝐷𝑤: Porcentaje de masa de refrigerante
en la solución con concentración débil.
18
Capítulo 1. Planteamiento del proyecto
1.1. Introducción
El servicio público de energía divide al país en dos regiones: el Sistema Interconectado Nacional
(SIN) y las Zonas No Interconectadas (ZNI). El SIN integra el conjunto de redes regionales e
interregionales de transmisión, las redes de interconexión, redes de distribución, plantas y equipos
de generación de energía1. Las ZNI en Colombia son todos los lugares que no se encuentran
interconectadas al SIN2 y que por lo tanto presentan dificultades con el acceso a la energía eléctrica.
Dada la ubicación geográfica que tiene Colombia hay un altísimo potencial para generar energía a
partir de fuentes no convencionales como, por ejemplo, el viento y el sol (ICEX, 2017). Sin embargo,
el país ha desaprovechado esta oportunidad, teniendo zonas actualmente a las que aún no llega el
servicio de energía eléctrica, cuyos habitantes sufren entre otras cosas las consecuencias de no
poder utilizar dispositivos fundamentales como lo son los de refrigeración.
La tecnologías de refrigeración pueden contribuir a que los habitantes de las ZNI tengan una mejor
calidad de vida al garantizar que puedan acceder a alimentos y productos perecederos que
almacenados correctamente conservan sus propiedades (Aste, Del Pero, & Leonforte, 2017).
Además, con la implementación de tecnologías de refrigeración se podrían incluso generar
actividades que mejoren los ingresos monetarios de los habitantes de las ZNI, por ejemplo mediante
la refrigeración de alimentos en almacenes, un proceso que se ve limitado por las características
propias de las regiones sin conexión a la red (Aste et al., 2017).
Aunque existen técnicas de refrigeración pasivas para la refrigeración de alimentos, en las que no se
requiere de la utilización de una fuente de energía, estas no funcionan para todos los productos ya
que dadas sus características no se pueden regular ni controlar según requerimientos; por lo tanto,
en las zonas alejadas de la red de energía eléctrica, se deben implementar tecnologías que permitan
1 Artículo 11, Ley 143 de 1994 («Ley 143 de 1994», s. f.) 2 Artículo 1º, Ley 855 de 2003 («LEY 855 DE 2003», s. f.).
Capítulo 1: Planteamiento del proyecto
19
la regulación de la temperatura no solo para alimentos sino para otros productos que requieren
temperaturas controladas para su conservación, entre ellos las vacunas (Aste et al., 2017a). El
recurso solar principalmente, puede ser fundamental en la implementación de tecnologías de
refrigeración (Allouhi et al., 2015).
Dado el contexto coyuntural de las ZNI en donde se requiere de soluciones eficaces para garantizar
los beneficios del acceso de la energía eléctrica, con altos costos de implementación de energías
renovables debido a la dispersión y condiciones geográficas de la población, el presente proyecto de
investigación a nivel de pregrado se centra en el acceso a la refrigeración como una necesidad
central a suplir. La investigación, desarrollada de manera documental, tiene el propósito de
identificar las diferentes tecnologías de refrigeración adaptables a fuentes no convencionales de
energía de forma que se logre determinar un dispositivo ideal para la población de las ZNI. El
alcance del proyecto se configura en la caracterización de la problemática alrededor de las
necesidades de refrigeración, la identificación de las diferentes tecnologías de refrigeración, la
evaluación cuantitativa de dichas tecnologías frente a las necesidades particulares en las ZNI y, por
último, el establecimiento de parámetros ideales sobre un dispositivo de refrigeración ideal. La
investigación implica la recopilación y revisión de información sobre las ZNI en condiciones donde se
presentan dificultades incluso para las entidades gubernamentales encargadas, con respecto al
acceso de algunos datos e información sobre la población, principalmente aquella alejada y dispersa
en el territorio nacional. Por otro lado, diferentes tecnologías de refrigeración tales como la
refrigeración por absorción, adsorción, termoeléctrica y Stirling, tienen un desarrollo investigativo
reciente y en progreso alrededor de las fuentes renovables de energía, con resultados útiles para la
presente investigación. Se encontraron también tecnologías poco usuales y prometedoras como lo
son la refrigeración magnética, por eyector y termoacústica, aunque no se incluyen dentro de las
alternativas teniendo en cuenta que aun requieren de investigación y desarrollo para ser
competitivas frente a las demás tecnologías.
La investigación realizada enmarca un contexto que promueve la realización de proyectos en las ZNI
y que por lo tanto propende por el desarrollo económico y social del país; así, entre otras, se cumple
una competencia que debe desarrollar el egresado de ingeniería industrial de la Universidad Distrital
y es la relacionada con el desarrollo sostenible a lo largo del tiempo.
1.2. Justificación
Aunque las ZNI son los lugares con las mayores deficiencias en el país, también cuentan con
potencial para el desarrollo de sus individuos gracias a su cercanía con recursos naturales donde el
servicio de energía actuaría como posibilitador de crecimiento, dando oportunidades a la población
aislada de avanzar en temas productivos y competitivos, y de igual manera fortalecer la atención en
los servicios de salud y educación que requieren estas comunidades (UPME, 2014).
Capítulo 1: Planteamiento del proyecto
20
En el Plan Indicativo de Expansión de Cobertura de Energía Eléctrica (PIEC) 2013-2017 elaborado y
presentado en el año 2014 por la Unidad de Planeación Minero-Energética, se estimó necesaria una
inversión de 4,3 billones COP para extender el servicio de energía eléctrica a las 470.244 viviendas
que se calculó no contaban con dicho servicio a diciembre de 2012, con el fin de alcanzar la
universalización de este servicio en Colombia (PIEC, 2014). Mientras tanto, el Instituto de
Planeación y Promoción de Soluciones Energéticas para las Zonas No Interconectadas (IPSE),
institución encargada de estructurar e implementar las soluciones energéticas encaminados a esta
meta, ha invertido alrededor de 237.642'900.000 COP entre los años 2014 y 2018 (ver Anexo 1.
Inversión en proyectos por parte del IPSE entre el periodo 2014 - 2018).
A lo largo de la historia del país, los esquemas de energización han tenido falencias debido a que no
se han logrado coordinar acciones entre las entidades públicas y las entidades privadas, para el
desarrollo de las ZNI (UPME, 2014). Frente a este panorama una posible opción de solución es
concentrar recursos en suplir necesidades básicas relacionadas con el recurso energético, como lo
es la refrigeración, necesaria para conservar productos perecederos (por ejemplo, alimentos y
vacunas). Garantizar el acceso a la refrigeración puede mejorar diferentes aspectos dentro de la
población, abarcando diferentes dimensiones, por lo cual para el desarrollo de la presente
investigación se tendrán en cuenta 3 ejes particulares: eje social, eje económico y eje de salud.
Considerando el hecho de que la población se haya en condiciones con una baja calidad de vida
dados los altos porcentajes de Necesidades Básicas Insatisfechas (IPSE, 2017), se requiere de una
evaluación sobre la dimensión social de tal forma que se tenga en cuenta el beneficio en cuanto a
calidad de vida. También se debe tener en consideración el hecho de que la población cuenta con
bajos ingresos económicos y que el proceso de refrigeración disminuye las pérdidas de alimentos lo
que a su vez disminuye la pérdida económica, por lo cual el eje económico también es importante.
Por último, el eje de salud abarcaría los aspectos de almacenamiento principalmente de vacunas,
teniendo en consideración el hecho de que a las ZNI pertenecen los departamentos con la más baja
cobertura en vacunación (SISPRO, 2013). Estas dimensiones o ejes se seleccionaron como punto
de partida para el desarrollo de la caracterización y el análisis de las necesiades de la población.
Esta investigación beneficia principalmente a las poblaciones de las ZNI en tanto estimula el
desarrollo de proyectos futuros para mejorar su calidad de vida en aspectos relacionados con la
disminución de desperdicios económicos y alimenticios sobre productos perecederos, el aumento del
control y prevención en salud en cuanto a disponibilidad de vacunas se refiere, y todo aquello
relacionado con los requerimientos de refrigeración y mantenimiento de temperaturas constantes de
almacenamiento.
Los resultados de la investigación, que dimensionan las necesidades de refrigeración y la evaluación
de soluciones pueden ser de utilidad para investigadores, emprendedores, sectores privados y el
Capítulo 1: Planteamiento del proyecto
21
Gobierno, interesados en desarrollar investigaciones y proyectos que generen soluciones para las
ZNI de Colombia.
El desarrollo del presente trabajo se centra en la pregunta de investigación: ¿Que tecnologías
existentes actualmente adaptables a fuentes de energía no convencional son ideales para solucionar
las necesidades más importantes de refrigeración en las ZNI dada la escasa o nula disponibilidad de
energía eléctrica?
1.3. Objetivos
Objetivo General: Evaluar alternativas sobre dispositivos con fuentes de energía no convencional
para solucionar las necesidades más importantes de refrigeración de las poblaciones en las Zonas
No Interconectadas de Colombia.
Objetivos Específicos:
1. Identificar a través de consulta bibliográfica la situación actual de las ZNI con respecto a las
necesidades de refrigeración de la población, de tal forma que se logre construir un árbol de
problemas que incluya factores asociados a los principales ejes: social, económico y salud.
2. Determinar variables e indicadores útiles para evaluar dispositivos de refrigeración en una
medida cuantitativa frente a las necesidades identificadas, de acuerdo con su posible
impacto en los tres ejes principales.
3. Analizar de manera cuantitativa tecnologías y dispositivos de refrigeración con fuentes de
energía no convencional, disponibles en referencias bibliográficas, para la determinación del
diseño que mejor se adaptaría a las necesidades de las ZNI.
4. Establecer un conjunto de relaciones de parámetros específicos alrededor de un dispositivo
de refrigeración ideal para las ZNI, con fuentes de energía no convencional.
Para facilitar la lectura del presente documento y su revisión, se presenta la ubicación del
cumplimiento de cada uno de los objetivos específicos planteados, según se muestra en la Tabla 1:
Capítulo 1: Planteamiento del proyecto
22
Tabla 1. Localización de cumplimiento de objetivos específicos.
OBJETIVO ESPECÍFICO LOCALIZACIÓN DESCRIPCIÓN DE CUMPLIMIENTO
1
Identificar a través de consulta bibliográfica la situación
actual de las ZNI con respecto a las necesidades de
refrigeración de la población, de tal forma que se logre
construir un árbol de problemas que incluya factores
asociados a los principales ejes: social, económico y salud.
2.12
Se construyó un árbol de problemas en donde se identifica como problema
central la existencia de limitaciones técnicas para refrigerar productos
perecederos, teniendo como causas principales la baja implementación de
proyectos de entidades públicas y privadas debido a los altas inversiones que
estos demandan; las pocas iniciativas que hay para mejorar la calidad de vida de
los habitantes de las ZNI a través de soluciones específicas, debido a su vez a la
poca información que se encuentra al respecto y la baja adaptabilidad de los
dispositivos convencionales de refrigeración al contexto de las zonas aisladas.
Como consecuencias finales se encontraron la persistencia de las características
asociadas a la pobreza (eje social) y la baja cobertura en vacunación y servicios
de salud (eje de salud).
2
Determinar variables e indicadores útiles para evaluar
dispositivos de refrigeración en una medida cuantitativa
frente a las necesidades identificadas, de acuerdo con su
posible impacto en los tres ejes principales.
4.2
Se determinaron 14 variables técnicas asociadas a las tecnologías de
refrigeración las cuales establecen indicadores útiles para el desarrollo de una
evaluación de los dispositivos (a través de métricas asociadas), frente a las
necesidades de la población.
3
Analizar de manera cuantitativa tecnologías y dispositivos de
refrigeración con fuentes de energía no convencional,
disponibles en referencias bibliográficas, para la
determinación del diseño que mejor se adaptaría a las
necesidades de las ZNI.
4.4 y 4.5
Utilizando información cuantitativa obtenida a través de la implementación de la
Casa de la Calidad sobre cinco principales tecnologías de refrigeración
(compresión, absorción, adsorción, termoeléctrica y Stirling), se realizó un
Análisis Jerárquico de Decisión teniendo como resultado una mayor puntuación
sobre la tecnología de absorción.
4
Establecer un conjunto de relaciones de parámetros
específicos alrededor de un dispositivo de refrigeración ideal
para las ZNI, con fuentes de energía no convencional.
4.12
Se desarrollaron cálculos para la definición de los parámetros principales de un
refrigerador por absorción intermitente que tuviese como fuente de energía un
colector solar de placa plana, teniendo presente características de irradiación y
temperatura ambiente regional, tal que el dispositivo llegase a una temperatura
mínima de -18 °C, útil para la congelación de productos perecederos.
Fuente: Elaboración propia
23
1.4. Metodología
Los medios utilizados para la investigación son de carácter documental. La investigación tiene un
carácter descriptivo en tanto se estructuran las relaciones entre la escasa o nula disponibilidad de
energía en las ZNI, con las necesidades de refrigeración en las distintas actividades que realizan las
comunidades que habitan en estos territorios del país.
Se aplica la técnica de análisis y el uso del pensamiento sistémico del ingeniero industrial para
establecer variables y parámetros evaluativos sobre tecnologías y dispositivos que puedan
adaptarse como solución para el aseguramiento de la refrigeración en beneficio de las comunidades
de las ZNI. En primer lugar, se elabora un estado del arte que contextualiza la situación energética
de estas zonas en relación con la refrigeración alrededor de los ejes social, económico y salud,
utilizando como herramientas principales de consulta reportes de entidades gubernamentales
enfocadas al desarrollo de las ZNI. Luego de ello se analizan las necesidades existentes junto con
sus interrelaciones técnicas. De acuerdo con ello, a través de análisis se definen variables y métricas
que se utilizan para evaluar alternativas que sirvan de solución. Los dispositivos y tecnologías que
configuran las alternativas son identificados en bases de datos, lo cual implica también una
investigación descriptiva sobre sus formas de refrigeración, teniendo presente su funcionalidad para
zonas sin disponibilidad de energía eléctrica convencional.
La caracterización de las ZNI es necesaria para entender gran parte del contexto en el que viven sus
habitantes, e identificar el papel del proceso de refrigeración en estos lugares; se contrastan
conceptos como el de la inseguridad alimentaria y el grado de desperdicio de alimentos en el país,
encontrando que hay una proporción amplia de alimentos que se pierden en la etapa de
postcosecha y en los hogares. También se evidencia que los departamentos con ZNI tienen las más
bajas coberturas en vacunación, lo cual se contrasta con el hecho de que el proceso de
almacenamiento de vacunas requiere un estricto control de temperaturas de almacenamiento. Una
situación similar se encuentra el proceso de la pesca, una actividad fundamental de algunas de las
ZNI, ya que a pesar de que esta actividad es una fuente potencial de ingresos, cuando existe la
limitante de la refrigeración se restringen las oportunidades de crecimiento y desarrollo.
También es importante una consulta que incluya cada una de tecnologías de refrigeración
existentes, tal que cada una de ellas tengan algún grado de factibilidad con respecto a su
implementación en ZNI, lo cual se puede verificar según dispositivos propuestos por diferentes
autores e incluso algunos proyectos que se han desarrollado en el mundo sobre el tema en cuestión.
Esto permite tener una información más veraz y así mismo una selección más acertada.
Se aplican las metodologías de la Casa de la Calidad y el Análisis Jerárquico de Decisión para
definir las características técnicas más relevantes a tener en cuenta en el dispositivo de refrigeración
y el tipo de tecnología que más se ajusta a una solución para las necesidades de las ZNI.
Finalmente, se realizan cálculos para un prediseño del dispositivo, validando los resultados a través
de un análisis de sensibilidad y una simulación en el software Aspen Hysys.
Capítulo 1: Planteamiento del proyecto
24
Entre los medios utilizados para el desarrollo de la investigación se encuentran: artículos
académicos en bases de datos (Science Direct, Scopus, Google Scholar), resultados investigaciones
académicas relacionadas, resultados en censos nacionales (tal como en Censo Nacional
Agropecuario de 2015), informes gubernamentales (emitidos por entidades como el Ministerio de
Minas y Energía, el Ministerio de Salud o instituciones como IPSE) y bases de datos virtuales
especializadas con información relacionada tal como la del Centro Nacional de Monitoreo (CNM)
adscrito a IPSE.
25
Capítulo 2. Caracterización de las ZNI
2.1. Introducción
En el presente capítulo se exponen los resultados y el análisis de la consulta bibliográfica realizada
sobre las características poblacionales más relevantes de los habitantes de las ZNI para de esta
manera elaborar un árbol de problemas concerniente a la ausencia de refrigeración, así como un
árbol de soluciones en el cual se planteen los objetivos para la mitigación de las consecuencias
problemáticas principales. La información contenida en este capítulo proporciona también los datos
de entrada para definir aspectos técnicos como la temperatura requerida para almacenamiento de
productos perecederos y la temperatura ambiente de las zonas en estudio. Entre otros temas, se
dan a conocer las entidades que promueven el desarrollo de las ZNI y algunos de los proyectos
formulados para ampliar la cobertura energética en el país.
Mediante la consulta se determinaron las regiones con mayor concentración de usuarios, sus
características sociales, económicas y en salud. Se establecieron características comunes en temas
como la cobertura en vacunación, las necesidades básicas insatisfechas y las actividades
económicas. Toda esta información se contrasta con la importancia de mantener la cadena de frio y
con ella el proceso de refrigeración, ya que repercute en aspectos como la seguridad alimentaria, la
agricultura, la actividad pesquera, entre otras.
2.2. Ubicación y distribución de usuarios en las ZNI
Las Zonas No Interconectadas (ZNI) son todas aquellas regiones en el país que en materia
energética no pertenecen al Sistema Interconectado Nacional (SIN). Ocupan el 52% del territorio,
dentro de lo cual se encuentran 18 departamentos, 5 capitales departamentales, 37 cabeceras
municipales, 97 municipios y 1.728 localidades (IPSE, 2017), abarcando alrededor de 209.081
unidades familiares o usuarios (IPSE, 2018). La Figura 1 muestra la distribución de los usuarios en
las ZNI de Colombia, donde se puede observar una alta densidad poblacional en los departamentos
de la región del pacífico y una dispersión de la población en los departamentos del sur y del este,
siendo la mayoría de los departamentos de carácter fronterizo:
Capítulo 2: Caracterización de las ZNI
26
Figura 1. Localización de usuarios en las ZNI según el Centro Nacional de Monitoreo (CNM). Fuente: (CNM, 2018)
Capítulo 2: Caracterización de las ZNI
27
Los departamentos pertenecientes a las ZNI en donde más población se encuentra son
principalmente Nariño y Choco. La Figura 2 muestra la distribución del número de usuarios
(unidades familiares) en ZNI por departamento, donde se puede observar una marcada diferencia
entre los usuarios de estos dos departamentos frente a los restantes 16, teniendo cantidades
menores a los diez mil en 13 departamentos frente a los cerca de 101.246 usuarios que suman
Nariño y Choco.
Figura 2. Distribución de usuarios en ZNI por departamento.
Fuente: Adaptado de (IPSE, 2017)
2.3. Problemas de desarrollo en ZNI
El problema general del desarrollo de las comunidades rurales aisladas no interconectadas se puede
representar a través del diagrama causal de la Figura 3, diseñado por Franco et. Al. (2008), en
donde se observa que el desarrollo de una comunidad se ve influenciado por la oferta de energía y
las condiciones ambientales, mientras que a través del desarrollo se disminuye la pobreza. Por otro
lado, al disminuir la oferta de energía no es posible logra aumentar el desarrollo y disminuir la
pobreza, lo cual agrava el problema de déficit de energía.
Capítulo 2: Caracterización de las ZNI
28
Figura 3. Diagrama causal del problema de desarrollo de las comunidades rurales aisladas no interconectadas.
Fuente: Adaptado de (FRANCO, DYNER, & HOYOS, 2008)
En el diagrama causal de la Figura 3, el ciclo R1 configurado por el desarrollo, la demanda de
energía y la oferta de energía es un ciclo de realimentación de refuerzo de suministro u oferta de
energía. El ciclo de refuerzo R2 configurado por el desarrollo, la pobreza y la oferta de energía se
encuentra limitado por las condiciones ambientales impuestas para el desarrollo, lo cual se
representa en los ciclos de balance B1 (desarrollo, pobreza, oferta de energía, condiciones
ambientales) y B2 (desarrollo, demanda de energía, oferta de energía, condiciones ambientales). La
hipótesis dinámica de Franco et. al. es: a más desarrollo, más demanda de energía. El diagrama
caracteriza el contexto de la problemática de energía en las ZNI, donde, aunque se cuenta con gran
concentración de recursos minerales, agrícolas, pesqueros, entre otros, las condiciones sociales,
ambientales y la oferta energética repercuten en el desarrollo generando limitaciones que no
permiten una disminución de aspectos como la pobreza.
En particular, dentro de las características de las ZNI se encuentran zonas dispersas con una baja
densidad poblacional abarcando áreas biodiversas y territorios colectivos de comunidades étnicas
nacionales; su porcentaje de Necesidades Básicas Insatisfechas (NBI) es mayor al 77%,existe bajo
nivel de consumo promedio asociado a una baja capacidad pago y de recaudo, mientras que a su
vez existen altos costos para la prestación de servicio de energía eléctrica (IPSE, 2017).
2.4. Entidades a cargo y fondos de inversión
El Instituto de Planificación y Promoción de Soluciones Energéticas para las Zonas No
Interconectadas (IPSE), siendo parte de las entidades públicas del Ministerio de Minas y Energía
Capítulo 2: Caracterización de las ZNI
29
(MME) tiene la función de resolver las limitaciones energéticas de los habitantes las zonas del país
sin servicio, apoyando y realizando labores encaminadas a brindar soluciones para que se logre
satisfacer la demanda energética de las ZNI de una manera viable3. Para lograr su objetivo, la
institución cuenta con fondos de inversión, sin embargo, existen otros fondos financieros destinados
a la realización de proyectos enfocados a la universalización de la energía en Colombia, los cuales
son (UPME, 2016):
• FAER: Fondo de Apoyo Financiero para la Energización de las Zonas Rurales
Interconectadas. Aplica para las regiones pertenecientes al SIN.
• FAZNI: Fondo de Apoyo Financiero para la Energización de las Zonas No Interconectadas.
Aplica únicamente para las regiones pertenecientes a las ZNI.
• PRONE: Fondo del Programa de Normalización de Redes Eléctricas. Se enfoca en la
financiación de proyectos de adecuación de redes existentes en el SIN, así como la
legalización de usuarios.
• FENOGE: Fondo de Energías No Convencionales y Gestión Eficiente de la Energía. Aplica
principalmente para proyectos de energización que utilicen fuentes no convencionales de
energía (FNCER), principalmente en estratos bajos. Es de resaltar que dicho fondo ofrece
estímulos tributarios para quienes desarrollen proyectos acordes con su misión.
Los operadores de red en el país también realizan inversiones para la ampliación de la cobertura de
energía, apoyando en la gestión de planes, programas y proyectos de construcción e instalación de
infraestructura, principalmente en el SIN (UPME, 2016).
2.5. Prestación de energía
Las ZNI utilizan principalmente equipos de generación diésel para su abastecimiento de energía.
Existen cerca de 1.269 máquinas que funcionan con un generador que utiliza motor de combustión
interna (grupos electrógenos), de las cuales se sabe tienen una buena eficiencia cerca de 53% de
ellas (IPSE, 2014), lo cual significa que el porcentaje restante (cerca de la mitad de los grupos
electrógenos) cuentan con un mal funcionamiento traducido en pérdidas de energía. Además de ello,
el impacto ambiental de las maquinas es alto ya que generan emisiones de CO2 aproximadamente
de 0,7326 t de CO2/MWh, una tasa cinco veces más grande que la tasa de emisión de la maquinaría
en regiones pertenecientes al SIN (UPME, 2016).
Como herramienta de seguimiento para el IPSE, el Centro Nacional De Monitoreo (CNM)
proporciona información sobre el servicio de energía en las ZNI, donde es posible examinar a través
de monitoreo satelital (telemetría) a cerca de un 5% de las zonas, mientras que el porcentaje
3 Decreto 257 del 24 de enero del 2004
Capítulo 2: Caracterización de las ZNI
30
restante, de ser posible, se vigila mediante Contact Center (llamado telefónico). Cada una de las
zonas con telemetría cuenta con algún grado de prestación de energía, donde al menos un 31% de
las localidades pertenecientes cuenta con 24 horas de prestación de energía al día, mientras que un
10% de ellas cuentan con una prestación de 1 a 6 horas al día. Para más información ver el Anexo
2. Prestación de energía en localidades con y sin telemetría.
2.6. Proyectos de expansión de cobertura
En materia de planeación energética y con el objeto de proponer estrategias y líneas de acción para
la universalización del servicio de energía eléctrica, actualmente se elaboran los siguientes planes
de expansión y desarrollo:
1. Plan Energético Nacional (PEN): Plan presentado por la Unidad de Planeación Minero (UPME)
en el cual se presentan algunas ideas sobre el desarrollo futuro del sector energético
colombiano que pueden servir de base para la elaboración e implementación de una política
energética (UPME, 2015b).
2. Plan Indicativo de Expansión de Cobertura (PIEC): En la Ley 142 de 1994 se estableció que
cada cinco años se debe realizar un plan que busque aumentar la oferta del servicio de energía
mediante la estimulación del sector privado y el cálculo de las inversiones que debe hacer el
gobierno. En sus documentos se muestran análisis comparativos sobre diferentes alternativas,
además en documentos recientes se han venido incluyendo nuevas oportunidades del mercado
energético, incluyendo fuentes alternativas de generación de energía (UPME, 2016).
3. Planes de Energización Rural Sostenible (PERS): Son planes para elaborar proyectos que se
presentan a partir del análisis de las regiones rurales, identificando información como por
ejemplo la demanda energética, el presupuesto de financiamiento, algunas características de los
usuarios, entre otras, con el fin de crear estrategias que se han visto reflejadas en un banco de
proyectos para zonas ubicadas en departamentos como Nariño, Chocó y la Guajira (UPME,
2015c).
4. Plan Todos Somos PAZcífico (PTSP): Es un plan especialmente enfocado en las necesidades
sociales, económicas y ambientales del pacifico, que contiene entre sus objetivos la
energización de áreas rurales y la implementación de fuentes de energía alternativas4.
La última versión del PIEC (2016-2020) calculó un estimado nacional de 431.137 viviendas sin
servicio (VSS) las cuales representan un déficit energético nacional de 3,04%. Para lograr la
cobertura total el documento calcula una inversión proyectada en alrededor de $5,03 billones COP,
los cuales se destinarían para soluciones de interconexión al SIN y soluciones aisladas, evaluando
4 Decreto 2121 de 2015
Capítulo 2: Caracterización de las ZNI
31
en cada caso particular la mejor opción de solución (UPME, 2016). La Figura 4 muestra la
proporción de VSS beneficiadas e inversión requerida en cada caso, observando un porcentaje
similar en cuanto a VSS beneficiadas. Sin embargo, es claro que la inversión requerida en
soluciones aisladas, las cuales involucran fuentes no convencionales de energía, resulta más
costosa que la interconexión al SIN. Esto significa mayores dificultades para los usuarios cuya mejor
alternativa sea la energización con soluciones aisladas, ya que deberían esperar mayores rubros de
inversión por parte del gobierno para poder contar con una solución energética.
Figura 4. Proporción de inversión requerida y VSS beneficiadas a través de soluciones de energización por soluciones aisladas e interconexión al SIN.
Fuente: Adaptado de (UPME, 2016)
Por parte del sector privado se requiere una inversión de $371.041 millones COP para ampliar la
cobertura de energía a algunos de los departamentos donde se ubican las ZNI, según las
capacidades de los operadores de red en cada región (Anexo 3), lo cual reafirma la alta inversión
que se requiere para generar soluciones; a ello se suma la baja motivación del sector privado por
invertir en estas zonas dada la baja capacidad de recaudo.
Para el año 2030, el MME espera haber logrado la cobertura energética total del país, con el fin de
impulsar el desarrollo de los habitantes de las zonas sin energía a través del esperado mejoramiento
de su calidad de vida, incluyendo el aumento de los ingresos y por lo tanto la reducción de la
pobreza. Además, se planea que las FNCER aumenten su participación en los proyectos de
energización. (UPME, 2016).
2.7. Características regionales
Teniendo en cuenta la información otorgada por IPSE (Anexo 4. Proporción de municipios
pertenecientes a las ZNI por departamento.), existen departamentos cuya totalidad de municipios
Capítulo 2: Caracterización de las ZNI
32
son considerados ZNI, mientras que en otros estas zonas abarcan cierta proporción. Tal es el caso
de Nariño, en donde se tiene un 17% de municipios pertenecientes a la lista de ZNI, aun cuando
presenta la mayor cantidad de usuarios por departamento. Otra particularidad de la distribución de
usuarios es el hecho de que, tal como se evidencio en la Figura 2, si los departamentos se agrupan
por región, aproximadamente el 80% de los usuarios de las ZNI se ubican en la zona del Pacifico y
la Amazonía. De cualquier forma, cada región del país cuenta con alguna proporción de usuarios
dentro de ZNI, por lo cual es importante identificar las particularidades de cada caso para una mejor
interpretación de las necesidades de los usuarios.
Cada una de las seis regiones (Amazonía, Andina, Caribe, Insular, Orinoquía y Pacífico) cuenta con
diferentes características geográficas, demográficas y económicas. En esta sección se describirán
dichos aspectos a favor de una clara identificación de la situación actual con respecto a las
necesidades de refrigeración en las ZNI, enmarcadas en los temas sociales, económicos y de salud.
2.7.1. Región Pacífica
Características sociales: En la región Pacífica el departamento de Choco es el lugar con las cifras
más adversas en cuanto a indicadores socioeconómicos se refiere. Ejemplo de ello es el hecho de
que ninguno de sus municipios alcanza el promedio nacional en cuanto a cubrimiento de servicios
básicos, teniendo casos de carencia absoluta. En el Anexo 5. Proporción de necesidades básicas
insatisfechas en los departamentos con ZNI se observa que Chocó, el segundo departamento con
más usuarios de ZNI a nivel nacional, tiene un 77% de NBI, una proporción muy alta si se compara
por ejemplo con Bogotá (9,20%). Cauca y Nariño superan el 43% de NBI y Valle del Cauca tiene el
15,68% de NBI.
Chocó es un departamento habitado por comunidades étnicas, entre ellas afrodescendientes,
indígenas, mulatos y mestizos. El 57% de estas comunidades se localiza en área rural aledaña a
ríos y al mar; una de sus fuentes hídricas más importantes es el rio Atrato, ya que es considerado
una de las cuencas de mayor rendimiento hídrico en el mundo (Gobernación de Chocó & ICBF,
2007).
En el año 2014, COLCIENCIAS realizo una convocatoria llamada “Ideas para el cambio: Pacífico
pura energía”, en ella participaron diferentes empresas con propuestas para llevar energía a las ZNI
de la zona del Pacífico. Las iniciativas de los proyectos incluían incorporación de iluminación en los
hogares, energía para refrigeración de alimentos, cadenas de frio, alimentación de equipos
electrónicos para colegios, centros de salud, entre otros. En algunos casos se incorporaron
dispositivos para almacenamiento y comercialización de alimentos. Los proyectos se incorporaron en
distintos lugares y costaron desde $154.000.000 hasta $209.530.241 COP (COLCIENCIAS, 2018).
Capítulo 2: Caracterización de las ZNI
33
Características de salud: En el departamento de Choco la cobertura en salud no supera el 30% y
las tasas de morbilidad y mortalidad en niños son significativas. El departamento tiene una de las
más altas tasas de fallecimiento infantil en el país. Para el año 2016 la tasa fue de aproximadamente
40,9 niños fallecidos antes de cumplir un año por cada mil nacidos vivos (Anexo 6. Defunciones de
menores de un año por cada mil nacidos vivos en los departamentos de Colombia)
Además, en cuanto a cobertura en vacunación, por ejemplo, para la vacuna pentavalente, Chocó
tiene la segunda tasa más baja en cobertura (77,32% cuando la meta es 95%); los otros
departamentos de la región tienen un promedio de cobertura del 93.25% en cuanto a esta vacuna
(SISPRO, 2013).
Características económicas: La silvicultura y la pesca abarcan el 22% del PIB del Chocó,
ocupando el segundo lugar de participación en el departamento frente a un 44% por parte de la
actividad metalífera. El Choco es el séptimo departamento en desembarco de pesca artesanal en el
Pacífico y el Caribe. (Giselle & Vidal, 2015). En el ranking de producción nacional Choco tiene el
primer lugar en producción de achín, el segundo en borojó, el cuarto en chontaduro y coco, el sexto
en ñame, y el once en piña banano y limón. Además, tiene una oferta potencial para exportación de
productos como peces ornamentales, filetes de pescado, frutas frescas y banano
orgánico(Procolombia, 2013). Entre las potencialidades del Chocó se encuentra su abundante
recurso hídrico y orográfico, lo cual podría permitirle una alta capacidad para generar energía
eléctrica (Gobernación de Chocó & ICBF, 2007).
Por otro lado, Valle del Cauca tiene el primer puesto en producción nacional de caña de azúcar y
cítricos, el segundo en piña, aromáticas, perejil y pimentón, el tercero en guayaba, macadamia, y
maracuyá, el cuarto en café y pitahaya, el quinto en aguacate y el sexto en plátano (Procolombia,
2015). Nariño tiene el primer puesto en producción nacional de cocotero, y arveja, el tercero en
tomate de árbol, papa, banano, y repollo, el cuarto en chirimoya, uchuva, y zanahoria, el quinto en
caña panelera, y el octavo en panela. Además tiene una oferta potencian en productos como frutas
frescas, atunes frescos, refrigerados y congelados, y lácteos (Procolombia, 2014b). Por otro lado, el
departamento del Cauca tiene el primer puesto en producción nacional de fique, el segundo en caña
de azúcar, el tercero en piña, el quinto en ahuyama, y el sexto en caña panelera. Entre su oferta
potencial están azucares y mieles, derivados del café, y frutas y hortalizas (Procolombia, 2014c).
2.7.2. Región Amazónica
Características sociales: A la región Amazónica pertenecen el 18% de los usuarios en ZNI. El 17%
de la población corresponde a grupos indígenas que ofrecen una variedad cultural y lingüística de
enorme riqueza. Se identifican cuatro subregiones amazónicas: Piedemonte, conformado por
Caquetá y Putumayo donde se encuentra el 75% del total de la población, con una alta diversidad
ecosistémica gracias a los sistemas hídricos que la recorren; Subregión Norte, conformada por el
departamento de Guaviare y municipios del sur del Meta; Subregión Nororiente, conformada por
Vaupés y Guainía, donde se concentra la menor cantidad de población de la región, y habitan
aproximadamente 23 resguardos indígenas; Subregión Sur, compuesta por el Amazonas,
Capítulo 2: Caracterización de las ZNI
34
caracterizada por inclinarse hacia la conservación de los recursos naturales (Amazonia posible y
sostenible, 2013).
El 45,8% de los hogares en la región amazónica presentan necesidades básicas insatisfechas, muy
superior al promedio nacional (27,7%). Cada uno de los departamentos de la región tienen una alta
proporción de NBI (Anexo 5. Proporción de necesidades básicas insatisfechas en los departamentos
con ZNI) siendo la más alta Vichada con el 66,95% y la más baja Putumayo con un 36,01%.
Mediante la consulta bibliográfica no se encontraron proyectos desarrollados para la región
amazónica vista como ZNI.
Características de salud: Las tasas de mortalidad infantil en la región de la Amazonia son las más
altas de todas las regiones (Anexo 6. Defunciones de menores de un año por cada mil nacidos vivos
en los departamentos de Colombia). Respecto a la baja tasa de cobertura de vacunación, en cuanto
a la vacuna pentavalente, por ejemplo, ninguno de sus departamentos supera o iguala la meta del
95% de cobertura; en Vichada incluso solo se llega a un 60%, mientras que en los demás
departamentos de la región el promedio es del 88%.
Características económicas: Piedemonte contribuye con el 75% del PIB de la región amazónica; la
Subregión Norte contribuye con un 8%, aun cuando se estima que el 50% del área se encuentra
reservada para la exploración de hidrocarburos; la Subregión Sur aporta menos del 6% en el PIB.
En la región de la Amazonía es primordial la conservación de los recursos naturales, por encima de
la búsqueda del desarrollo económico; la actividad económica está basada en el comercio con
ciudades peruanas y brasileras ubicadas en la frontera, e iniciativas de turismo ecológico. Las
consecuencias de minería ilegal y la sobreexplotación han empezado a evidenciarse en la reducción
en el volumen de la pesca, mientras la falta de alternativas productivas sostenibles ha llevado a la
población a la extracción selectiva de maderas de alto valor que son traficadas ilegalmente. Estudios
afirman que competir con precios de mercado de productos industriales puede ser inviable en lo
económico e insostenible en lo ambiental (CEPAL, 2013). En cuanto a la actividad agrícola se
desconoce el potencial de la región dado que priman las características de preservación.
2.7.3. Región Insular
Características sociales: El 10% de los usuarios en ZNI pertenecen a la región Insular, conformada
por las islas de San Andrés y Providencia. De acuerdo con el Anexo 5. Proporción de necesidades
básicas insatisfechas en los departamentos con ZNI, en esta región la proporción de NBI es del
40,85%, ocupando el puesto número 15 dentro del ranking de las más altas en el país.
Características de salud: En la región, por cada mil niños nacidos vivos, mueren 17,9. La
mortalidad es influida por temas de retardo en el crecimiento, bajo peso al nacer, enfermedades
infecciosas y malas prácticas nutricionales. En este aspecto, un estudio encontró que el 20% de la
Capítulo 2: Caracterización de las ZNI
35
población se encuentra en riesgo de inseguridad alimentaria; por otra parte, la cobertura en
vacunación para algunas de las vacunas más importantes en niños cumple la meta del país con una
tasa de 97,7%. (MinSalud, 2011)
Características económicas: En la región Insular la pesca es un factor económico principal, donde
actualmente se requieren de soluciones energéticas sostenibles y se busca la promoción de fuentes
de energías renovables. En esta zona habitan aproximadamente 75.000 personas que se dedican
principalmente a actividades comerciales y de turismo, generando una demanda energética que en
su mayoría depende del uso de combustibles fósiles para la generación de energía eléctrica y otras
actividades. Lograr reducir el uso de combustibles representa un reto para la incorporación de
fuentes de energía no renovable, de tal forma que se reduzcan los costos por concepto de
adquisición y uso de combustibles, así como el deterioro de los recursos naturales en la isla (UPME,
2015a).
2.7.4. Región Orinoquía
Características sociales: En esta región, con baja densidad poblacional, habitan el 5% de los
habitantes de las ZNI, ubicados en los departamentos de Casanare, Caquetá y Meta. La proporción
de necesidades básicas insatisfechas más alta de la región la tiene Caquetá con 41.72%, seguida
por Casanare con 35.55% y Meta con 25.03% (Anexo 5. Proporción de necesidades básicas
insatisfechas en los departamentos con ZNI). No se encontró información sobre proyectos de
energización de las ZNI de la región.
Características de salud: Para los departamentos de la región Orinoquía se tiene una tasa
promedio de 22,6 niños que mueren antes de cumplir un año por cada mil nacidos, un alto valor
comparada por ejemplo con el departamento de Bogotá donde se estima una tasa de 11.6 niños
fallecidos por cada mil nacidos vivos (Anexo 6. Defunciones de menores de un año por cada mil
nacidos vivos en los departamentos de Colombia). Para el caso de la cobertura en vacunación, en
el caso por ejemplo de la vacuna antituberculosa y la vacuna pentavalente, en ninguno de los tres
departamentos se iguala o supera la meta nacional del 95% de cobertura.
Características Económicas: Los aportes al PIB de la región Orinoquía provienen de la producción
de hidrocarburos, único sector que muestra crecimiento en la región ya que las actividades no
mineras presentan tasas negativas de crecimiento; esto debido entre otras cosas a factores como la
localización de la región, la baja fertilidad de los suelos, y la ausencia de infraestructura para
garantizar la disponibilidad del recurso hídrico (Benavides, 2010).
La mayor parte del área cultivable de la región se encuentra destinada a la ganadería, teniendo que,
únicamente un 32% de la tierra que podría ser cultivada realmente lo está. Los productos agrícolas
más importantes de la región son el arroz y la palma de aceite. Existen inversiones importantes en el
sector agrícola, altamente subsidiadas y poco competitivas (Benavides, 2010).
Capítulo 2: Caracterización de las ZNI
36
2.7.5. Región Andina
Características sociales: En esta región únicamente se encuentra el departamento de Antioquia
con usuarios pertenecientes a las ZNI, comprendiendo cerca del 2% del total nacional, residiendo en
los municipios de Vigía del fuerte, Urrao y Murindó. En Antioquia, la proporción de NBI es del
22,96% (Anexo 5. Proporción de necesidades básicas insatisfechas en los departamentos con ZNI)
una tasa inferior a la del promedio nacional de 27,7%.
Características de salud: Se presentan altas tasas de mortalidad infantil, donde por cada mil niños
nacidos vivos en los municipios de Vigía del fuerte, Urrao y Murindó mueren alrededor de 39.3, 17.1,
y 39,8 niños, respectivamente, antes de cumplir un año (Anexo 6. Defunciones de menores de un
año por cada mil nacidos vivos en los departamentos de Colombia). Sobre la cobertura en
vacunación, se tiene que, representativamente, la vacuna pentavalente abarca el 93.17% de
cobertura (con una meta del 95%).
Características económicas: Vigía del fuerte y Murindó se ubican en la región de Urabá en
Antioquia, que limita también con Urrao. Esta región aporta el 7,5% del PIB departamental(K.
Martinez, 2017); actividades como la agricultura, la ganadería, la caza, la silvicultura y la pesca
concentran el 72,8% de los activos de la región (Cámara de Comercio de Urabá, 2013).
2.7.6. Región Caribe
Características sociales: Las ZNI pertenecientes a la región Caribe comprenden el municipio de
Uribía (en su mayoría habitado por integrantes de la comunidad indígena Wayuu) en el
departamento de la Guajira, Ciénaga en Magdalena, y Cartagena en Bolívar, allí habitan el 1% de
los usuarios de las ZNI del país. En cuanto a NBI, los tres departamentos se encuentran entre los
primeros diez con proporción de NBI más altas en Colombia: la Guajira con un 65.23%, Magdalena
con un 47.68% y Bolívar con un 46.6% (Anexo 5. Proporción de necesidades básicas insatisfechas
en los departamentos con ZNI).
Características de salud: De acuerdo con el Anexo 6. Defunciones de menores de un año por cada
mil nacidos vivos en los departamentos de Colombia, el caso de Uribía en la Guajira es preocupante
ya que 48,5 niños de cada mil niños nacidos vivos mueren antes de cumplir un año de edad. En
temas de cobertura en vacunación, por ejemplo, ninguno de los tres departamentos iguala o supera
la meta del 95% de cobertura para la vacuna pentavalente, el promedio de los tres es del 87%.
Características económicas: En el municipio de Uribia, se dedican al comercio, al turismo, a
procesar divisas y a exportar carbón; en el municipio de Ciénaga la economía se basa en la pesca,
la ganadería y la venta de artesanías a los turistas(OCHA, 2014).
Capítulo 2: Caracterización de las ZNI
37
2.8. Análisis comparativo entre regiones
En la Tabla 2 se comparan las características principales de las regiones del país alrededor de los
ejes social, económico y salud. Se encuentra que las regiones con mayor concentración de usuarios
en ZNI (Pacífico y Amazonía) se caracterizan por la presencia mayoritaria de población
afrodescendiente e indígena, respectivamente. En general se tienen altas tasas de NBI,
exceptuando los municipios de Antioquia en donde el promedio es más bajo que el nacional, lo cual
puede indicar mejores condiciones económicas. Las altas tasas de mortalidad infantil y las bajas
coberturas de vacunación en general son indicadores de una deficiente cobertura en salud en cada
una de las regiones, de nuevo exceptuando los municipios de Antioquia.
Capítulo 2: Caracterización de las ZNI
38
Tabla 2. Comparación entre las características sociales, de salud y económicas entre las regiones
de Colombia con ZNI.
Región Características Sociales Características de
Salud Características Económicas
Región Pacífica
• 82% de población afrodescendiente.
• Alta tasa de ocupación de zona rural.
• Hasta 77% de NBI.
• Se han realizado proyectos de desarrollo particulares para ZNI.
• Cobertura en salud menor al 30%
• Alta tasa de mortalidad infantil
• Baja cobertura en vacunación
• Actividades de pesca y silvicultura.
• Primeros lugares de producción nacional en productos agrícolas: caña de azúcar, cítricos, cocotero, arveja, entre otros.
• Potencial aprovechamiento de recurso hídrico
Región Amazónica
• 17% de población indígena.
• Hasta 77% de NBI.
• La más alta tasa de mortalidad infantil.
• Baja cobertura en vacunación
• Potencial de explotación de hidrocarburos.
• Amplio turismo ecológico.
• Presencia de minería ilegal.
• Es primordial la conservación de los ecosistemas.
Región Insular
• Alto porcentaje de población afrodescendiente.
• 41% de NBI
• Tasa alta de riesgo de inseguridad alimentaria.
• Alta cobertura en vacunación.
• Amplia actividad pesquera.
• Comercio y turismo
Región Orinoquía
• Hasta 42% de NBI.
• Alta tasa de mortalidad infantil.
• Baja cobertura en vacunación
• Producción de hidrocarburos.
• Amplia producción ganadería.
• La agricultura se centra en el arroz y la palma de aceite.
Región Andina
• Baja tasa de NBI.
• Alta tasa de mortalidad infantil,
• Cobertura en vacunación cercana a la meta
• Producción basada en la agricultura, ganadería, caza de animales, silvicultura y la pesca.
Región Caribe
• Hasta 65% de NBI,
• Alta tasa de mortalidad infantil.
• Baja cobertura en vacunación
• Alto comercio y turismo.
• Exporta carbón.
• Desarrollo de ganadería (principalmente en Ciénaga)
Fuente: Elaboración propia
Capítulo 2: Caracterización de las ZNI
39
Si bien las NBI pueden abarcar un amplio panorama de necesidades y condiciones, un aspecto que
podría mejorarse a través de la refrigeración es la disminución de pérdidas de alimentos dentro de
las unidades familiares por falta de oportunidad en la conservación. Esto podría ser de mayor
importancia cuando se tiene presente que, tal como se observa en la Tabla 2, la agricultura y la
pesca son factores económicos principales en varias regiones, lo cual implica periodos de cosecha y
recolección posiblemente masivas en las cuales tener la opción de conservar productos perecederos
excedentes de las actividades de venta y consumo, podría traer beneficios para las familias. Otro
aspecto negativo general que puede mitigarse a través de la generación de oportunidades de
refrigeración en las ZNI es la conservación de vacunas, lo cual posibilitaría el transporte,
conservación y la aplicación de dichos productos en los usuarios finales. A continuación, se
profundiza sobre estos aspectos.
2.9. Necesidades de refrigeración en las ZNI
Según Procolombia (2014), la refrigeración involucra todos los procesos realizados con el fin de
mantener la temperatura y humedad óptimas para la conservación de un producto dentro de
estándares definidos desde que inicia el proceso de producción hasta que el producto llega al
consumidor. Esto incluye el almacenamiento, el empaque, la distribución, el transporte, entre otros.
La ausencia de garantías en el cumplimiento de este proceso puede causar enfermedades a los
consumidores, por lo tanto, es un proceso relevante especialmente para el consumo seguro de
alimentos (Procolombia, 2014a).
El papel de los refrigeradores en una unidad familiar puede ser considerado como el último eslabón
del proceso que garantiza poder mantener un producto en buenas condiciones por mayor tiempo al
mantener una temperatura requerida. Por lo general se utilizan refrigeradores de compresión,
aunque ciertamente existen varias alternativas en el mercado. Según un informe presentado por el
DANE con los resultados de la Encuesta Nacional de Calidad de Vida (ECV) del 2017, la
disponibilidad de bienes y servicios que tienen los hogares se asocia con su calidad de vida. En el
caso de los refrigeradores se encontró que el 86,5% de los colombianos posee un refrigerador,
siendo este el electrodoméstico que más adquieren los colombianos luego del televisor con un
93,9% (DANE, 2014). Llevar a las ZNI el segundo electrodoméstico más utilizado o que más
poseen los colombianos, contribuiría al mejoramiento de la calidad de vida de sus habitantes.
En el PIEC 2016-2020 se establece una curva de carga horaria, la cual permite analizar las
diferentes alternativas de energización presentadas por el plan. La curva identifica los consumos
básicos rurales atendiendo como mínimo la iluminación, refrigeración, televisión, un punto de carga
de celular y un punto de carga adicional para otros electrodomésticos (UPME, 2016). La Tabla 3
muestra el consumo de energía mensual según la curva de carga:
Capítulo 2: Caracterización de las ZNI
40
Tabla 3. Consumo de energía para los electrodomésticos en la curva de carga horaria.
USO EQUIPO CANTIDAD HORAS AL
DÍA
POTENCIA
(W)
CONSUMO
(kWh/mes)
Refrigeración Nevera 1 9 180,00 48,60
Equipos
electrodomésticos
TV 1 6 80,00 14,40
Celular 1 5 2,40 0,36
Iluminación Bombillos 5 6 11 9,90
Fuerza motriz Licuadora 1 0,17 400,00 2,00
Otro Toma 1 5 100,00 15,00
TOTAL 90,26
Fuente: Adaptado de PIEC 2016 - 2020 (UPME, 2016)
Como puede observarse en la Tabla 3, el uso que más consume energía según la curva de carga es
la refrigeración (48,60 kWh/mes sobre los 90,26 kWh/mes, totales), donde lo ideal es que funcione
las 24 horas del día.
En zonas de bajos recursos, incluyendo áreas rurales (como lo son en su mayoría las ZNI), las
personas recurren a comprar refrigeradores de segunda mano, cuyo bajo costo es inversamente
proporcional a su eficiencia (UPME, 2016). Esta actividad va en contra de los compromisos de
eficiencia energética adquiridos por el país y sus intereses por hacer que el proceso de refrigeración
en las unidades familiares pueda cumplir con su función a partir alimentación continua de energía
(PIEC 2016 - 2020).
2.10. La Seguridad Alimentaria
Según la FAO, parte de los aspectos que garantizan que las personas no enfrenten la inseguridad
alimentaria es la refrigeración ya que cuando se tienen limitaciones técnicas en temas como la
cosecha y el almacenamiento, se pueden perder los alimentos o las características nutritivas que
permiten suplir los requerimientos alimentarios de los individuos. (FAO, 2015). Según el DNP, en un
estudio realizado el año 2016, en Colombia se arrojan 9,76 toneladas de comida al año, con lo cual
se podría alimentar aproximadamente al 34% del país. En la Figura 5 se observan las cantidades y
proporción de productos que se desechan debido a pérdidas en las diferentes etapas de producción
por las que pasa un determinado producto, donde se observa que las frutas y verduras tienen el
mayor porcentaje de pérdida, superior al 50%.
Capítulo 2: Caracterización de las ZNI
41
Figura 5. Toneladas desechadas por producto anualmente en Colombia.
Fuente: Adaptado de (DNP, 2016)
En la Figura 6 se muestran las cantidades desechadas por etapa de producción en Colombia en el
año 2016, donde se observa que en la etapa de almacenamiento y postcosecha se perdió el 20% del
total desechado. Esto probablemente tiene que ver con la infraestructura con la que cuentan los
productores colombianos en esta actividad, incluso dentro de las recomendaciones finales del
informe del DNP, a los productores les sugieren que se invierta en maquinaria y en bodegas de
postcosecha que incluyan redes de frio, almacenamiento a temperatura controlada, entre otros. El
documento también recomienda a los consumidores cuidar de la refrigeración adecuada de frutas,
huevos y pan, y el congelamiento de las carnes y el pescado (DNP, 2016).
Figura 6. Toneladas desechadas por etapa anualmente en Colombia.
Fuente: Adaptado de (DNP, 2016)
Es importante observar en la Figura 6 el hecho de que la pérdida en los hogares el casi equiparable
a la pérdida en la distribución, la postcosecha y el almacenamiento. Si bien esta situación se
Capítulo 2: Caracterización de las ZNI
42
presenta en los hogares que pertenecientes al SIN, probablemente las perdidas marginales sean
superiores en las familias pertenecientes a las ZNI, donde se tienen limitaciones alrededor de la
refrigeración.
En la Encuesta Nacional de Situación Nutricional en Colombia presentada en el año 2015 se
encontró que en las familias lideradas por indígenas (ubicadas principalmente en ZNI) el 80% se
encuentra en inseguridad alimentaria. Por otro lado, el 10% de los adolescentes del país (12 a 17
años) enfrentan problemas de desnutrición crónica, de los cuales el 36,5% son indígenas, 15,7%
viven en zonas rurales y el 14,9% personas que viven en situación de pobreza. En cuanto a los
menores de edad se encontró que el 30% de los menores en edad en fase escolar (fase crucial en la
que el ser humano se adapta a hábitos alimenticios que repercuten en su vida adulta),
pertenecientes a comunidades indígenas, presentan desnutrición crónica (MINSALUD, 2015). Todas
las anteriores son características típicas que se presentan en las ZNI.
En Colombia, el porcentaje más alto de población con inseguridad alimentaria se encuentra en el
Atlántico con un valor del 65%, seguida por el Amazonas y la Orinoquía con un 64% y el Pacífico
con un 57%. A partir de una comparación étnica, los grupos indígenas tienen la mayor proporción de
inseguridad alimentaria del país equivalente a un 77%,lo cual difiere en 25 puntos porcentuales con
respecto al 52% calculado para individuos sin pertenecía étnica(ICBF, 2015).
Fogel et al. (2011), citan a Dasgupta (1993), para mencionar que la desnutrición tiene diversas
consecuencias, aunque todas dirigidas al deterioro de la vida: en mujeres embarazadas afecta el
crecimiento del feto y como consecuencia su estado de salud al nacer; afecta la lactancia de las
madres, causa fatiga, disminuye la resistencia a enfermedades, causa debilidad en los músculos,
retardos en el crecimiento, aumenta la morbilidad, la vulnerabilidad a las infecciones, afecta el
crecimiento del cerebro e influencia la capacidad mental por el daño al sistema nervioso, reduce la
energía que los niños tienen para aprender, disminuye la capacidad para hacer trabajo físico, y
disminuye la esperanza de vida (Floud, Fogel, & Chul, 2011).
La refrigeración mitiga el riesgo que tienen los alimentos de adquirir microorganismos y afectar
gravemente la salud de las personas (Mendoza Roca, Alfaro Diaz, & Paternina Arboleda, 2015). Es
uno de los procesos necesarios para mejorar la seguridad alimentaria en la población, por lo cual es
necesario generar oportunidades principalmente en la población más vulnerable, tanto para la
refrigeración como para el congelamiento de productos alimenticios perecederos. Es importante
observar que se tiene también una connotación económica asociada a la pérdida de los productos,
no solo en ámbitos domésticos sino también comerciales.
Capítulo 2: Caracterización de las ZNI
43
2.11. Aplicaciones específicas de la refrigeración
A continuación, se enmarca la importancia del proceso de refrigeración de productos perecederos,
entre ellos, los vegetales, las frutas, el pescado y las vacunas, en relación con las necesidades de
las ZNI.
2.11.1. La refrigeración de alimentos
Teniendo clara la importancia de la refrigeración para mitigar las consecuencias de la falta de
seguridad alimentaria, resulta útil evaluar las temperaturas óptimas de refrigeración de los alimentos
más consumidos o producidos en las ZNI. Para ello se utilizó información suministrada por el Tercer
Censo Nacional Agropecuario (DANE, s. f.), con la cual se inició definiendo los porcentajes de uso
del suelo para actividades agrícolas, estableciendo un marco de potencial de producción en los
departamentos con ZNI. En el Anexo 7. Distribución del uso del suelo en los departamentos
principales con ZNI se muestra una tabla de resultados, en la cual se observa que en promedio
emplean el 32% del área disponible en actividades agropecuarias, el 64% se destina en bosques y el
restante 4% en otros usos Del porcentaje de área destinada a actividades agropecuarias, en general
se usa un 23% o más en actividades agrícolas, separando de las actividades pecuarias y de los
bosques. Cabe observar que, para departamentos como Caquetá, Putumayo, Chocó, Vaupés,
Amazonas, Guaviare, y Guainía, más del 80% y en algunos el 100% del terreno está destinado a los
bosques.
Una vez definido el potencial de cultivo se procedió con la identificación de principales frutas y
verduras cultivadas por departamento, cuyos resultados se muestran en el Anexo 8.Se destaca que
para algunos departamentos es importante el cultivo de plátano, yuca, papa, banano, cítricos,
papaya, aguacate, piña, y algunos cereales. Cada uno de los productos identificados como más
importantes en cada región se muestran en la Tabla 4 en donde se exponen las temperaturas
óptimas, humedad relativa y el tiempo de conservación en cada caso, encontrando que la
temperatura óptima no suele ser menor a los 0 °C y que los periodos de conservación varían en un
rango que va desde una semana (como el caso del plátano) hasta un año (como en el caso de las
hortalizas).
Capítulo 2: Caracterización de las ZNI
44
Tabla 4. Condiciones óptimas y tiempo de conservación de alimentos cultivados y consumidos en las ZNI.
Producto Temperatura optima % Humedad Relativa Conservación
Aguacate 3 a 13°C 85 a 90 2 a 8 semanas
Arveja 4 a 5°C 95 1 semana
Ahuyama 10 a 13°C 50 a 70 8 a 12 semanas
Banano 13 a 15°C 90 a 95 1 a 4 semanas
Chirimoya -0.5 a 1°C 85 a 90 8 a 12 semanas
Chontaduro 6°C 75 2 semanas
Naranja 3 a 9°C 85 a 90 3 a 8 semanas
Coco 0 a 15°C 80 a 85 4 a 8 semanas
Cocotero 0 a 15°C 80 a 85 4 a 8 semanas
Guayaba 5 a 10°C 90 2 a 3 semanas
Hortalizas 10°C 55 a 60 24 a 52 semanas
Limón 9 a 10°C 85 a 90 6 a 8 semanas
Maracuyá 7 a 10°C 85 a 90 3 a 5 semanas
Ñame 16°C 70 a 80 25 a 29 semanas
Papa 3 a 4°C 90 a 95 20 a 32 semanas
Perejil 0°C 95 a 100 4 a 9 semanas
Pimentón 7 a 13°C 90 a 95 2 a 3 semanas
Piña 7 a 13°C 85 a 90 2 a 4 semanas
Pitaya 6 a 8°C 85 a 95 2 a 3 semanas
Plátano 13 a 14°C 90 a 95 1 a 5 semanas
Repollo 0°C 95 8 a 12 semanas
Tomate de árbol 7°C 90 a 95 8 semanas
Uchuva 4 a 10°C 80 a 95 5 semanas
Yuca 0 a 5°C 85 a 90 4 a 9 semanas
Zanahoria 0°C 98 a 100 4 a 6 semanas
Fuentes: Adaptado de (Aste, Del Pero, & Leonforte, 2017b), (FAO,1996)(Aste et al., 2017b), (CCB,
2015), (Galvis, Fischer, & Gordillo, 2005), (Erazo & Murillo, 1995)
Es importante tener en cuenta también las condiciones de conservación de productos de origen
animal a través de la refrigeración. En la Tabla 5 se resumen los periodos de conservación de los
principales productos al ser almacenados en temperaturas de 4 °C y -18 °C, en donde se observa
un considerable aumento al pasar de días a meses de conservación. Esta información puede llegar a
ser importante en la definición del parámetro de temperatura mínima ideal en el dispositivo.
Capítulo 2: Caracterización de las ZNI
45
Tabla 5. Periodo de conservación de productos de origen animal en refrigeración y congelación.
Producto Refrigeración a 4°C Congelado a -18°C
Huevos 21 a 35 días No congelar
Salchichas 14 días 1 a 2 meses
Tocino 7 días 1 mes
Carnes 3 a 5 días 4 a 12 meses
Pollo en presas 1 a 2 días 9 meses
Pescados magros 1 a 2 días 6 a 8 meses
Pescados grasos 1 a 2 días 2 a 3 meses
Fuente: Adaptado de (FDA, 2018)
2.11.2. La pesca y la acuicultura
Dada la cercanía con el mar de algunos departamentos con ZNI se podría inferir que la pesca es una
actividad potencial para su economía en todos los casos. Sin embargo, el departamento de Bolívar
tiene un potencial de exportación de pescado mucho más alto, en comparación con otros
departamentos como Nariño y Valle del Cauca, ubicados en un segundo y tercer lugar dentro de la
escala. Esto podría deberse a la imposibilidad de mantener la cadena de frio, ya que, dada la
ausencia de refrigeración continua, el pescado no se puede preservar, y por lo tanto este debe ser
comercializado a precio del comprador, lo cual perjudicaría a los comerciantes que, de no vender,
tendrían que desechar el producto asumiendo consecuencias económicas y además ambientales
(residuos y olores) (Procolombia, 2014a).
En el mapa del estado de información pesquera en Colombia consultado a través del Servicio
Estadístico Pesquero Colombiano (SEPEC), y mostrado en el Anexo 9. Mapa del estado de la
información pesquera en Colombia, se puede observar que en el país se tiene una ausencia de
información sobre la actividad pesquera. Sin embargo, es útil ver que entre las ZNI las que mayor
actividad pesquera presentan se encuentran en la zona del Pacífico y la zona Caribe, seguidas por
Antioquia y la zona de Orinoquía, algo que es razonable dada la ubicación de las zonas y su
cercanía con las fuentes hídricas.
La OCDE en el año 2016 a través del Journal Of Sea indicó que la actividad de la pesca en
Colombia se desarrolla principalmente en las costas del Pacifico, el Atlántico, y en las principales
cuencas de los ríos Magdalena, Amazonas, Orinoco y Sinú (OCDE, 2016). A su vez, esta actividad
la desarrollan empresas altamente industrializadas y pescadores artesanales (aproximadamente
150.000, según estimación del Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural junto con la Autoridad
Nacional de Acuicultura y Pesca), quienes a través de diversas técnicas logran capturar la tercera
parte de la producción pesquera del país. Entre los problemas que afectan la competitividad y
desarrollo del país alrededor de esta actividad, se encuentran el transporte, las dificultades en los
puntos de desembarco, los muelles, la infraestructura de almacenamiento y la cadena de frio. La
Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO, 2015), informo que
Capítulo 2: Caracterización de las ZNI
46
el sector pesquero en Colombia no contribuye significativamente al PIB (2% aproximadamente), pero
para familias que habitan en zonas rurales es una oportunidad de obtener ingresos, alimentación y
empleo. El DANE, en un censo realizado en el año 2012, determinó que entre las características de
los pescadores artesanales se encuentra la falta de acceso a la educación, situaciones de
analfabetismo y muy bajos ingresos económicos (DANE, 2014) lo cual ratifica la importancia de la
actividad pesquera para sus familias (Esquivel et al., 2014).
2.11.3. La refrigeración de vacunas
La vacunación es clave para crecer mitigando el riesgo de enfermedades, lo cual la hace un factor
fundamental para cualquier país dado que las bajas coberturas son causantes de altas tasas de
mortalidad y morbilidad (Organización Panamericana de la Salud, 2013). Según la Organización
Mundial de la Salud (OMS), se pueden evitar hasta 1,5 millones de muertes anuales en el mundo
mediante la vacunación, ya que previene varias enfermedades. Algunas de ellas se ilustran en la
Tabla 6, en donde se relacionan los periodos de estabilidad según las temperaturas de
conservación, teniendo variaciones que van desde los 7 días (entre 22 °C y 25 °C) hasta los 3 años
(entre 2 °C y 8 °C) como es el caso de la vacuna de Influenza tipo B.
Capítulo 2: Caracterización de las ZNI
47
Tabla 6. Estabilidad de las principales vacunas en Colombia según temperaturas de conservación.
Edad Nombre Vacuna Enfermedad que previene Estabilidad
2°C a 8°C 22°C a 25°C
Entre los 0 y 5 años
Tuberculosis BCG Meningitis tuberculosa 18 meses
30% de pérdida de
viabilidad en 3 meses
Hepatitis B Hepatitis B 4 años 1 mes
DTP Difteria, Tosferina y Tétanos Hasta fecha vencimiento
Se desconoce
Influenza tipo B Meningitis y otras enfermedades causadas por la influenza tipo b
2 a 3 años 7 días
Polio Poliomielitis 1 año a 4
años 20 días
Rotavirus Diarrea por rotavirus 2 años 12 horas
Neumococo Neumonía, otitis, meningitis, y
bacteriemia 2 años 21 días
SRP Sarampión, Rubeola y Paperas Hasta fecha vencimiento
Se desconoce
Varicela Varicela 1 año 6 horas
Hepatitis A Hepatitis A 3 años 14 días
Fiebre Amarilla Fiebre Amarilla 3 años Se
desconoce
Gestantes
Influenza estacional Enfermedad respiratoria por
influenza 2 a 3 años 7 días
TdaP Tétanos Neonatal, Difteria, Tos
ferina al recién nacido Hasta fecha vencimiento
se desconoce
Mayor a 60 años
Influenza estacional Enfermedad respiratoria por
influenza 2 a 3 años 7 días
Viajeros Fiebre Amarilla Fiebre Amarilla 3 años Se
desconoce
Fuentes: Adaptado de (AEP, 2018), (MINSALUD,2017) y (MINSALUD, 2016)
En Colombia, se han realizado estudios que demuestran que los departamentos de Cauca,
Cundinamarca, Chocó, Guainía, Vaupés y Vichada (en su mayoría pertenecientes a las ZNI) tienen
una alta tasa de muerte infantil debido a enfermedades que pueden ser causadas por la ausencia de
vacunación (José & Caicedo, 2013). Teniendo una meta establecida de cobertura superior al 95% en
el Plan Decenal de Salud Pública del país 2012 – 2021, (Decenal, 2012), en contraste con Anexo 10,
se evidencia que en las ZNI hay un problema de cobertura.
Capítulo 2: Caracterización de las ZNI
48
Se debe tener claro que las deficiencias en la cadena de frio sobre el almacenamiento y transporte
de vacunas eliminan la inmunidad que estas proporcionan frente a las enfermedades (CONPES,
2008). El gobierno colombiano ha invertido en gran medida para la financiación de la construcción de
cuartos fríos y en general el mejoramiento de la red de frio para fortalecer la capacidad de la red de
vacunación en el país. Se mencionan inversiones de 10 mil millones COP por parte del CONPES
123 destinado al mejoramiento del equipo para conservación de vacunas especialmente en áreas
rurales. Además, en el año 2007 se destinaron 600 millones COP para la ampliación y
mantenimiento de la red de frio a nivel departamental y distrital; en el año 2009 la inversión fue de
2.791 millones COP (Ministerio de la Protección Social & Salud, 2010).
Por lo anterior, la incorporación de dispositivos de almacenamiento de vacunas es una posible
contribución al mejoramiento de la situación problemática, impactando directamente en la protección
de la vida de gran parte de la población en ZNI. Por ejemplo, en el caso de la fiebre amarilla, todos
los departamentos con ZNI tienen recomendación de vacunación por prevención, a excepción de
Nariño, Cauca y Valle del Cauca (MINSALUD, 2018).
2.12. Árbol de problemas y árbol de soluciones sobre la refrigeración
Un árbol de problemas es un diagrama que permite organizar las ideas alrededor de un tema
reconociendo a su vez el problema focal o central que se desea solucionar. Esto implica identificar
los diferentes problemas y relacionarlos entre sí de forma causal, tal que al establecer el problema
principal (de mayor importancia) se logren identificar las principales causas y sus efectos (Sanchez,
2007). A partir de un árbol de problemas es posible generar un árbol de objetivos el cual permitiría
identificar las áreas de intervención que plantearía un proyecto. Para realizar el árbol de objetivos es
necesario revisar cada problema convirtiendo su efecto negativo en un objetivo positivo deseable, tal
que las causas se conviertan en medios y los efectos en resultados (R. Martínez & Fernández,
2010).
Teniendo presente la situación problemática descrita sobre las limitaciones de acceso a la
refrigeración y las necesidades particulares en las ZNI, la Figura 7 muestra el Árbol de Problemas
representativo del contexto. Como resultado de la investigación sobre el contexto de las ZNI, se
encontró que la mayoría de los proyectos relacionados que se plantean en el país demandan alta
cantidad de recursos económicos y de tiempo, lo cual contrasta con las características principales de
las ZNI (pobreza, aislamiento, baja densidad poblacional, entre otras) ocasionando el desinterés del
sector privado por invertir en soluciones para estas zonas; de las que aparentemente no obtendrán
una rentabilidad significativa. Por otro lado, teniendo en cuenta las problemáticas políticas que se
viven en el país, es recurrente que a pesar de que el sector público tiene diversidad de entidades
encargadas, estudios, y planes de acción, se llevan a cabo proyectos que no son suficientes para
resolver las necesidades de los usuarios; la tendencia a enfocarse en el desarrollo crece desde la
Capítulo 2: Caracterización de las ZNI
49
teoría, mientras que en la práctica inversionistas públicos y privados encuentran pocos estímulos
para llevar recursos a las zonas más aisladas del país. Algunas soluciones del gobierno para
energizar las ZNI funcionan de manera intermitente y dado que los dispositivos convencionales
requieren fuentes continuas de energía para su correcto funcionamiento, persiste la limitación
técnica. Finalmente, en la sección de causas, la ausencia de información específica sobre el
contexto de las ZNI en procesos como la refrigeración, ocasiona que así mismo no se presenten
suficientes iniciativas para apoyar estas zonas del país.
En el foco del presente trabajo está el problema de las limitaciones técnicas que existen para
refrigerar y congelar productos perecederos cuyas consecuencias repercuten en temas vitales como
la seguridad alimentaria, el desperdicio de alimentos, la ausencia de equipos eficientes para el
almacenamiento de vacunas, y la disminución de la competitividad de algunos sectores de la
economía. Así, como consecuencias finales el árbol muestra la persistencia de las características
asociadas a la pobreza (eje social y económico) y la baja cobertura en vacunación y servicios de
salud (eje de salud), en medio de lo cual se encuentran problemas como el desbalance entre la
inseguridad alimentaria y la pérdida de alimentos, el desaprovechamiento de oportunidades
económicas potenciales en las ZNI (como lo son la agricultura y la pesca) y la baja capacidad de
almacenamiento de vacunas.
Capítulo 2: Caracterización de las ZNI
50
Figura 7. Árbol de problemas sobre la problemática de refrigeración en ZNI. Fuente: Elaboración propia con base en revisión bibliográfica
Capítulo 2: Caracterización de las ZNI
51
A partir del árbol de problemas, en la Figura 8 se establece el árbol de soluciones, también conocido
como árbol de objetivos con el fin de definir cuáles son los medios y las acciones que contribuyen a
la mitigación de las consecuencias ocasionadas por el problema ya mencionado y sus respectivas
causas. Se tiene como objetivo principal la inclusión de dispositivos para refrigerar y congelar
productos perecederos en ZNI. El principal medio en el árbol de objetivos es la documentación de
información disponible alrededor de la problemática, lo cual resulta primordial en el contexto de las
ZNI ya que las necesidades y las condiciones de las diferentes comunidades en el país no
necesariamente son las mismas, lo cual por consiguiente puede generar variaciones en las
soluciones de refrigeración las cuales deberían adecuarse a dichas características particulares. Se
debe tener en cuenta además que la obtención de información actualizada de cada una de las
localidades presenta dificultades incluso para entidades como el CNM dada la falta de medios
eficaces de comunicación. Teniendo un marco de información real, el árbol de objetivos indica que
es posible generar iniciativas para incentivar el desarrollo de soluciones tecnológicas para las ZNI, lo
cual sería un primer paso en la consecución y puesta en marcha real de proyectos de mitigación a
las consecuencias de la falta de acceso a la refrigeración. Las entidades que intervendrían como
medios de financiamiento y desarrollo pueden ser tanto entidades públicas como privadas, en tanto
las entidades públicas (como por ejemplo IPSE), tienen funciones de mejoramiento continuo de la
calidad de vida de la población, mientras que las entidades privadas podrían tener intereses
alrededor de la inversión social. La investigación sobre los dispositivos de refrigeración es otro de los
medios indicado en el árbol de objetivos, donde lo primordial es buscar adaptar estas tecnologías al
contexto de las ZNI lo cual implica a su vez una adaptación frente a las FNCER, en tanto se tiene
como premisa que son las fuentes de energía más adecuadas.
Como resultados finales en el árbol de objetivos se plantea en primera instancia una reducción de
las condiciones que influyen en la seguridad alimentaria dada la disminución de la pérdida de
productos perecederos, así como también un aumento de la capacidad de almacenamiento de
fármacos. Por otro lado, la implementación de dispositivos para refrigerar y congelar generaría
también una mayor rentabilidad para la población de pescadores artesanales al disminuir la pérdida
por no almacenamiento de sus productos, mientras a su vez tendrían la oportunidad de negociación
con sus clientes al disponer de un mayor periodo de conservación, esto suponiendo la
implementación de tecnologías eficaces. Así mismo, otros sectores como la agricultura pueden verse
beneficiados con el aprovechamiento de las oportunidades económicas que el acceso a la
refrigeración les permite, principalmente alrededor de la conservación de productos perecederos.
Dentro de los resultados finales en el árbol de objetivos se tiene un aumento de las características
asociadas al desarrollo económico, lo cual implica beneficios en los ejes social y económico
principalmente, mientras que, por otro lado, en el eje salud el resultado final sería el sería el aumento
de la cobertura en vacunación, así como otros servicios en relación con la disponibilidad de
fármacos.
Capítulo 2: Caracterización de las ZNI
52
Figura 8. Árbol de objetivos alrededor la problemática de refrigeración en ZNI. Fuente: Elaboración propia
53
Capítulo 3. Marco teórico y referencial
3.1. Introducción
El presente capitulo tiene como objetivo la descripción técnica de las diferentes tecnologías de
refrigeración existentes con Fuentes No Convencionales de Energía Renovable (FNCER), cada una
de las cuales debería tener algún grado de factibilidad en cuanto a su aplicabilidad en zonas
aisladas de la red.
Se inicia enmarcando las ventajas y desventajas que se pueden obtener con la incorporación de las
FNCER en el país, las principales brechas que impiden su desarrollo, su uso a nivel mundial y
aplicabilidad en las ZNI de Colombia. Esto es importante para poder caracterizar previamente las
opciones de suministro energético para las tecnologías de refrigeración. Se encuentra que, aunque
existen suficientes recursos locales como la biomasa, la radiación y el viento, los cuales se podrían
emplear en la energización general del país, esta es una tarea que puede tomar varios años en su
realización requiriendo sumas considerables de inversión. Estas son algunas de las razones por las
cuales el presente trabajo se enfoca en resolver una necesidad específica que se crea a partir de la
ausencia de la energía: la refrigeración.
Posteriormente se exponen y describen las tecnologías y dispositivos de refrigeración existentes con
potencial de aplicación en ZNI, donde se incluyen las tecnologías por compresión, absorción,
adsorción, termoeléctrica y Stirling. Se describe el ciclo de refrigeración característico en cada una
de ellas, los componentes principales, rango de temperaturas ofrecido, confiabilidad, desarrollos y
ejemplos aplicados en zonas no conectadas a la red, entre otras características. Al finalizar se
realiza una descripción conceptual sobre las metodologías de selección (QFD y análisis jerárquico
de decisión), las cuales serán aplicadas en el capítulo posterior.
3.2. Fuentes no convencionales de energía
Las FNCER y su incorporación se encuentran motivadas por diversas razones, una de ellas es el
riesgo asociado a la energía hidroeléctrica ya que, por fenómenos de la naturaleza como por
ejemplo el fenómeno del niño, se presentan etapas de escases del recurso hídrico que incurren en el
aumento de los costos por energía, el aumento en los precios de la electricidad y el aumento del
precio del gas natural (debido a los costos de infraestructura, producción, etc.) (UPME, 2015a).
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
54
Quienes implementan FNCER tienen la posibilidad de disminuir los costos de producción, generar
crecimiento económico, aumentar su competitividad y evitar la incertidumbre en costos que
caracteriza la energía convencional. También se tienen incentivos como el marco legal establecido
en la Ley1715 del 2014, la cual promueve su desarrollo y utilización en el país. A pesar de las
ventajas, existen barreras en el contexto colombiano que limitan la participación de las FNCER,
dentro de las cuales se encuentran: (UPME, 2015a)
• Existen zonas con ventajas ambientales para la incorporación de las FNCER, sin embargo,
su ubicación geográfica impide la interconexión con la red del SIN, lo cual hace que resulten
poco atractivas para el sector privado.
• No hay capacitación suficiente para lograr implementar y mantener estas nuevas
tecnologías.
• La información existente es confusa: la normatividad en el país no es precisa y además no
se encuentran documentados suficientes datos sobre el desarrollo de proyectos de
energización y sus respectivos resultados o impacto.
• El gobierno subsidia la utilización de unidades electrógenas para el suministro energético en
algunas ZNI, aun cuando se sabe tienen altas tasas de emisión de gases de efecto
invernadero, son más costosas que las fuentes convencionales y son poco eficientes.
• Pequeños inversionistas tienen pocas posibilidades de adquirir un crédito con el fin de
energizar incluso pequeñas unidades (como sus propias viviendas) a través de las FNCER.
A continuación, se realiza una descripción particular sobre las principales tecnologías FNCER
utilizadas en la actualidad.
3.2.1. Energía eólica
Descripción: se conoce como energía eólica a la energía cinética del movimiento del aire; esta se
transforma en energía mecánica rotacional implementada en el funcionamiento de molinos, bombas
de agua, entre otras, transformándose en energía eléctrica a través de un generador. La producción
de energía a partir de viento depende directamente de la velocidad del viento, que a su vez está
influida por la presión, la temperatura, la densidad del aire, entre otras condiciones. Las unidades
para medir la densidad de potencia eólica son 𝑊/𝑚2 a cierta altura (Gómez, 2011) (Erbetta Mattig,
2010).
Para la generación de energía eólica se utilizan aerogeneradores que por lo general están
integrados por un rotor, acoplados con palas que transforman la energía cinética en mecánica. Se
tiene una góndola que transforma la energía mecánica en eléctrica mediante otros componentes
internos; se tiene también un multiplicador para amplificar la velocidad de giro emitida hacia el rotor y
una torre que soporta todos los componentes (Gómez, 2011). En la Figura 9, se observan los
componentes y el aspecto que tiene un sistema de generación energía eólica.
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
55
Figura 9. Esquema de componentes para la generación de energía eólica.
Fuente: Tomado de (Asenso & Cepel, 2010)
Ventajas y desventajas: la energía eólica es una oportunidad para zonas aisladas sin acceso a
interconexión ya que permite la generación de energía cerca a los lugares finales de consumo,
además de que es de sencilla instalación (Almonacid & Nahuelhual, 2009). Su principal desventaja
es el requerimiento de condiciones ambientales específicas, entre ellas una alta velocidad del viento,
lo cual no se presenta en todas las zonas geográficas; además su implementación requiere que se
disponga de grandes extensiones de tierras
Uso en Colombia: En el Anexo 11. Mapa densidad energía eólica, se observa que para las ZNI hay
oportunidades y potencial de incorporación de FNCER basadas en energía eólica en algunas partes
de los departamentos de La Guajira, Magdalena, Nariño y Cauca.
3.2.2. Energía solar
Descripción: La energía solar es aquella energía trasmitida por el sol a través de ondas
electromagnéticas. Esta puede ser aprovechada como energía solar fotovoltaica o como energía
solar térmica; ambas alternativas funcionan para generar energía eléctrica, con la diferencia de que
la segunda se utiliza principalmente para calentar fluidos. Las unidades de la energía del sol que
incide sobre la tierra (irradiación) se mide en 𝑘𝑊ℎ/𝑚2(SI). La energía fotovoltaica se genera a
partir del efecto fotoeléctrico, que consiste en el fenómeno a partir del cual las partículas de luz
emitidas por el sol (fotones) inciden en módulos diseñados para su recepción desprendiendo
electrones, momento en el cual se empieza a generar corriente. En la Figura 10 se representan los
componentes de un sistema fotovoltaico, entre los cuales se pueden distinguir el módulo o
generador fotovoltaico, en el cual se da el proceso de transformación de energía solar a eléctrica, el
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
56
regulador de carga, que controla situaciones de sobrecarga o sobre descarga, la batería, que
funciona como almacén energético y el inversor, el cual, en los casos en los cuales no se requiera
de corriente continua (CC), convierte la CC en corriente alterna (CA), de tal forma que la energía sea
aprovechable por dispositivos que requieran de CA (Gómez, 2011).
Figura 10. Esquema de componentes de un sistema solar fotovoltaico
Fuente: Tomado de (Merry, 2006)
La Figura 11 representa el esquema de un sistema de energía solar térmica en el cual se tiene una
entrada de agua fría que cruza uno o varios captores solares conectados entre sí los cuales se
encargan de aumentar la temperatura del agua, para luego almacenarla temporalmente en un
acumulador a partir del cual se direcciona su consumo en aplicaciones como por ejemplo la
calefacción de agua sanitaria, la calefacción de hogares, etc. (Merry, 2006).
Figura 11. Esquema de componentes de un sistema de energía solar térmica. Fuente: Tomado de (Merry, 2006)
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
57
Ventajas y desventajas: Los módulos fotovoltaicos se caracterizan por ser diseños poco complejos
y fáciles de operar. En temas económicos, el costo de este tipo de energía ha decrecido
significativamente. Una ventaja medioambiental es que la energía solar se encuentra en el orden de
50 kg CO2 eq/MWh lo cual la hace muy atractiva para las ZNI en las que el uso de combustibles
fósiles puede emitir valores por encima de 450 kg CO2 eq/MWh (UPME, 2015a).
Entre los aspectos limitantes de la energía solar se encuentra el gran área que requieren algunas
superficies de captación, el alto grado de dependencia del contexto climático, y los factores de
eficiencia, los cuales tienden a ser bajos (Escobar, Holguin, & Osorio, 2010).
Uso en Colombia y el mundo: En países como Alemania por ejemplo, a lo largo del tiempo ha
aumentado considerablemente la capacidad de generar energía eléctrica y la disponibilidad del
recurso para los habitantes (Lohani et al., 2014).El promedio de radiación de dicho país es de 3.0
kWh/m2*día (UPME, 2015a), un valor mucho menor al promedio de las regiones en Colombia,
como se observa en la Tabla 7 en donde se muestra la irradiación promedio en las regiones del país.
Cabe mencionar que el potencial solar en Colombia se ve favorecida por su ubicación geográfica,
donde no existe influencia por parte de estaciones.
Tabla 7. Irradiación promedio en las regiones de Colombia.
Región Irradiancia Promedio(𝒌𝑾𝒉/𝒎𝟐 ∙ 𝒅𝒊𝒂)
Guajira 6,0
Costa Atlántica 5,0
Orinoquía 4,5
Amazonía 4,2
Región Andina 4,5
Costa Pacífica 3,5
Fuente: (UPME, 2015a)
En el Anexo 12. Mapa de irradiación solar, se puede observar que cada uno de los departamentos
que conforman las ZNI posee un alto potencial aprovechable en el recurso solar. Para estas
regiones, dicha fuente de energía presenta ventajas alrededor del aumento de su accesibilidad con
la disminución de sus costos, además de que es adecuada para la pequeña escala en el sector
residencial y comercial, ya que es fácil de instalar (UPME, 2015a).
3.2.3. Energía con biomasa
Descripción: La energía con biomasa puede definirse como la energía solar almacenada en los
seres vivos por medio de la fotosíntesis, por lo cual puede encontrarse en estado natural en los
vegetales. También puede obtenerse biomasa de origen animal dada la digestión realizada de
vegetales (P. R. Martínez, 2009). Los residuos de procesos agrícolas son las principales formas de
biomasa los cuales pueden ser utilizados para la generación de energía eléctrica que alimente
sistemas de refrigeración, calefacción, entre otros. Para la obtención de energía eléctrica a partir de
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
58
biomasa se realizan procesos termoquímicos entre los que se encuentran combustión y gasificación.
Puede ser utilizada como combustible de manera directa para producir calor, como en el caso de la
leña. También es posible transformarla en biocombustibles como el biodiesel y el bioetanol. Cuando
se utiliza para generar electricidad se emplea a través de sistemas que evaporan el agua contenida
circulando el vapor a través de turbinas.
Para su uso se requiere la implementación de estructuras complejas incluyendo fuentes de
cogeneración los cuales involucran componentes como calderas y grandes volúmenes de espacio
requerido (Cerdá Tena, 2012), sin embargo, en países subdesarrollados se le da un gran uso en
aplicaciones de menor escala que utilizan leña para cocinar los alimentos e iluminar áreas (UPME,
2015a). En la Figura 12 se observan los procesos requeridos en una central de cogeneración
mediante biomasa aprovechando el cultivo y la recolección de madera, la cual es astillada,
dosificada y procesada en una caldera de tal forma que se retira el agua para alimentar una serie de
turbinas que permitan funcionar generadores y transformadores de energía eléctrica.
Figura 12. Central de cogeneración mediante biomasa Fuente: Tomado de (P. R. Martínez, 2009)
Ventajas y desventajas: a diferencia de otros tipos de energía renovable, la energía de biomasa no
depende de características meteorológicas ya que después de contar con la materia prima y las
máquinas de procesamiento, se encuentra garantizada la prestación del servicio. A pesar de lo
anterior, la generación de energía eléctrica a partir de biomasa puede ser compleja dados los
requerimientos técnicos que se demandan, además tiene altos índices de humedad y volatilidad, lo
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
59
cual no le permite tener un alto poder calorífico. Por lo general, la biomasa tiene bajos niveles de
eficiencia y puede llegar a contaminar el entorno de quienes rodean las plantas de generación
debido a la emisión de gases (Cerdá Tena, 2012).
Uso en Colombia y el mundo: Los países en los cuales se ha desarrollado el uso de biomasa para
la generación de energía eléctrica por lo general abren centrales de cogeneración, a partir de las
cuales se distribuye la energía; Estados Unidos, Alemania, Brasil, y Finlandia son los países que
lideran la aplicación de este tipo de energía (UPME, 2015a)
De acuerdo con Anexo 13. Mapa potencial energético utilizando biomasa, en donde se muestra el
mapa de potencial energético de biomasa en Colombia, se evidencia que este tipo de energía tiene
un bajo potencial de incorporación en las ZNI. Únicamente una parte del departamento de Nariño
(departamento con ZNI) parece tener potencial, sin embargo, corresponde al municipio de Tumaco,
que no hace parte de las ZNI.
3.2.4. Energía geotérmica
Descripción: La energía geotérmica es la energía térmica contenida en el interior de la tierra la cual
se obtiene a partir de la perforación de la superficie terrestre en terrenos cercanos a volcanes, en
búsqueda de fuentes de agua a altas temperaturas para realizar conexiones que permitan la
generación de la energía. Esto involucra maquinaria pesada y alta capacitación técnica, entre otros
requisitos que la hacen la más compleja de los tipos de energía consultados en el presente trabajo
(Valenzuela, 2011). Existen yacimientos de muy baja, baja, media y alta temperatura, tal que los de
baja temperatura abarcan entre 20 y 30 °C, siendo útil en la producción de agua caliente sanitaria y
sistemas de climatización; los yacimientos de baja temperatura abarcan entre 60 y 100 °C y son
útiles para aplicaciones directas del calor tanto de forma residencial, como industrial y agrícola. Los
yacimientos de media temperatura involucran temperaturas entre los 100 y 150 °C siendo útil en la
producción de electricidad, aunque con rendimientos termodinámicos muy bajos, por lo cual resulta
más aprovechable en aplicaciones de calefacción y refrigeración a través de máquinas de absorción.
Los yacimientos de alta temperatura, tal como se muestra en el esquema de la Figura 13, abarca
temperaturas entre los 150 y 350 °C, lo cual implica fuentes de calor magmático entre 1.500 y 2.250
m de profundidad tal como se ilustra en la figura. Las fuentes a alta temperatura permiten
aprovechar el agua caliente o el vapor para accionar turbinas en centrales geotérmicas de
producción de electricidad (P. R. Martínez, 2009).
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
60
Figura 13. Yacimiento geotérmico de alta temperatura. Fuente: Tomado de (P. R. Martínez, 2009)
Ventajas y desventajas: la energía geotérmica por lo general puede ser explotada localmente, es
decir, sin necesidad de que los países la importen, además por el recurso que utiliza, la fuente de
calor está disponible en todo momento, ofrece una alta confiabilidad siempre y cuando se cumplan
los requisitos tecnológicos. Además de ello se puede explotar por largos periodos de tiempo. Por
otro lado, tiene consecuencias ambientales entre las que se encuentran la demolición de
ecosistemas, la posible contaminación del ambiente con ácido sulfhídrico, y la limitante de que no se
puede transportar la fuente de agua, por lo tanto, requiere de redes de distribución especializadas
(Valenzuela, 2011).
Uso en Colombia y el mundo: Estados Unidos, Filipinas e Indonesia lideran el uso de la energía
geotérmica en el mundo. Para el caso de Colombia, que se encuentra ubicado en el Cinturón de
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
61
Fuego del Pacífico, donde la temperatura natural del subsuelo es significativamente alta e
igualmente la actividad volcánica, el potencial de explotación se ubica en las zonas de los volcanes
Cerro Negro, Cumbal, Azufral, Galeras, Doña Juana, Sotará, Puracé, Nevado del Huila, Nevado del
Ruiz y Nevado del Tolima. Se considera que realizar la explotación de los recursos que necesita este
tipo de energía representa altos riesgos y costos especialmente en la fase exploratoria, además en
Colombia no existe una normatividad clara y definida ya que son pocas las empresas que se
encuentran realizando algún tipo de estudio al respecto (UPME,2015a).De acuerdo con lo anterior la
energía geotérmica no representa una oportunidad potencial para la de generación de energía en
ZNI, teniendo en consideración además que las fuentes principales de energía no se encuentran
cercanas a estas zonas del país.
3.3. Tecnologías de refrigeración con fuentes de energía no
convencional
A nivel general, los dispositivos de refrigeración tienen tres componentes principales: una caja
térmica aislada, un sistema de control para mantener la temperatura dentro de los umbrales
deseados y una tecnología de eliminación de calor, la cual puede ser activa o pasiva. Dentro de las
tecnologías pasivas se incluyen los métodos que no requieren de ningún tipo de energía o
equipamiento técnico para reducir la temperatura dentro del volumen enfriado; esto incluye los
contenedores enfriados usando hielo, las técnicas de secado, la refrigeración subterránea (utilizando
silos) y los enfriadores por evaporación; en estos casos los productos finales suelen ser espacios o
contenedores. Por otro lado, las tecnologías activas si utilizan una fuente de energía y un sistema
técnico, con un producto final definido habitualmente como un refrigerador o un congelador, dentro
de lo cual se incluyen los sistemas de compresión mecánica, la refrigeración de sorción accionado
por calor, la refrigeración termoeléctrica y la refrigeración Stirling. Mientras las tecnologías activas
pueden abarcar amplios rangos de temperatura de refrigeración, las tecnologías pasivas en general
permiten un rango de entre 10 y 20 °C (Barbieri, Colombo, Jerome, & Riva, 2015). Con el objetivo
de considerar un amplio rango de temperaturas de refrigeración se considerará la evaluación de las
tecnologías activas.
A continuación, se enuncia el funcionamiento de cada una de las tecnologías encontradas en la
consulta bibliográfica para conocer su potencial aplicabilidad en las ZNI. En la Tabla 10 de la sección
0, donde se comparan las diferentes características de cada tecnología, se amplía la información
sobre los dispositivos de refrigeración por compresión mecánica, por absorción, por adsorción, la
refrigeración termoeléctrica y Stirling. Otras tecnologías como la de refrigeración por eyector,
refrigeración magnética y refrigeración termoacústica, no representan oportunidades de aplicación
en las ZNI por aspectos como su costo, ausencia de prototipos e información, complejidad técnica,
entre otros.
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
62
3.3.1. Refrigeración por compresión mecánica o de vapor
El proceso de refrigeración por compresión de vapor funciona a partir de seis elementos principales
que son: compresor, condensador, evaporador, válvula de expansión, termostato, líquido refrigerante
y caja de almacenamiento. En la Figura 14 se representan las partes del proceso de enfriamiento, el
cual funciona utilizando un fluido refrigerante que se ubica en el evaporador, una tubería en forma de
serpentín que recibe calor de la caja en que se almacenan los productos a refrigerar. Cuando el
refrigerante aumenta su temperatura, habiendo recibido la transferencia de calor de la carga a
refrigerar, debe volver a disminuirla para garantizar la continuidad del ciclo; esto es detectado por el
termostato el cual envía una señal al compresor para que ejerza presión de tal forma que el
refrigerante se transporte hacia el condensador, dispositivo en el que se libera calor al ambiente y
debido al cambio de estado del líquido refrigerante se presenta una disminución de la temperatura y
la presión de la sustancia, convirtiéndola a estado líquido para luego ser recirculada al evaporador
cruzando por una válvula de expansión en la que se disminuye su presión de acuerdo con las
necesidades de refrigeración (Barbieri et al., 2015).
Figura 14. Representación de un sistema de refrigeración por compresión de vapor.
Fuente: Adaptado de (Isaza, 2015)
La tecnología por compresión es la más común en refrigeración, puesto que, de contar con fuentes
confiables de energía, el sistema funciona correctamente garantizando el cumplimiento de los
requisitos del usuario. Para zonas no conectadas a la red existen proyectos en los cuales la fuente
de alimentación de energía del compresor está directamente conectada con paneles solares y/o
celdas fotovoltaicas; en la sección 3.4, se encuentran expuestos algunos de los dispositivos que ya
han sido desarrollados.
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
63
3.3.2. Refrigeración impulsada por sorción de calor
La tecnología por sorción de calor tiene un ciclo similar al de la refrigeración por compresión, con la
diferencia de que en lugar de emplear un compresor utiliza un sistema de generación accionado por
transferencia de calor, lo cual se logra aprovechando la atracción física o química entre pares de
sustancias. Es la única tecnología capaz de transformar energía térmica directamente en trabajo de
enfriamiento, alimentándose con calor residual, energía solar o combustibles tradicionales. Una de
las ventajas de los sistemas de sorción es el hecho de que utiliza muy pocas e incluso ninguna parte
móvil, lo cual se traduce en menores requerimientos de mantenimiento. Son además fáciles de
controlar, no producen vibraciones ni ruido y utilizan gases con bajo o nulo potencial de GEI (Gases
de Efecto Invernadero). Sin embargo, tienen una menor eficiencia en comparación con los sistemas
de refrigeración por compresión. Varios dispositivos de refrigeración solar por sorción se han
implementado con éxito en zonas rurales donde se cuenta con radiación solar ampliamente
disponible (Aste et al., 2017b).
Los ciclos de sorción pueden caracterizarse en abiertos o cerrados (Sarbu & Sebarchievici, 2015a).
Cuando se trata de un sistema abierto se utilizan desecantes, los cuales son eliminadores de la
humedad del aire en un determinado ambiente; este ciclo suele emplearse en aplicaciones de
humidificación y deshumidificación de ambientes. Los sistemas cerrados por otra parte cumplen con
propósitos de refrigeración, teniendo dos tipos de funcionamiento: refrigeración por absorción y
refrigeración por adsorción.
3.3.2.1. Refrigeración por absorción
En el ciclo de refrigeración por absorción se utiliza un par de trabajo en donde el fluido absorbente
tiene una alta afinidad hacia el refrigerante (el cual tiene una temperatura de ebullición menor), es
decir, exhibe un fuerte potencial para absorber la fase de vapor del refrigerante (hasta cierta
temperatura en el absorbente(Sarbu & Sebarchievici, 2015a). El par de trabajo
refrigerante/absorbente puede ser por ejemplo 𝑁𝐻3/𝐻2𝑂 (amoniaco/agua) o, 𝐻2𝑂/𝐿𝑖𝐵𝑟
(agua/bromuro de litio) (Allouhi et al., 2015).
Una máquina de absorción consta de cinco componentes principales: un generador (o desorbedor),
un absorbente, una válvula de expansión, un condensador y un evaporador. En el generador ingresa
el par de trabajo en forma de mezcla; allí se le suministra calor (a través de una fuente de calor
residual, calor solar o algún combustible fósil), hasta llegar a cierta temperatura en la que el
absorbente pierde la capacidad de retención del refrigerante y lo libera en forma de vapor
(desorción) haciendo que fluya hacia el condensador en donde liberaría calor pasando a estado
líquido (condensación). Mientras que, por un lado, el absorbente obtenido al final de la desorción se
hace circular desde el generador hasta el absorbente (lo cual puede darse en un mismo espacio
para ciclos intermitentes), el refrigerante al salir del dispositivo de condensación pasa por una
válvula de expansión que regula su presión para darle paso al evaporador, en donde absorbe el
calor de la carga que se desee enfriar, pasando de nuevo a un estado gaseoso (Aste et al., 2017a).
El refrigerante en forma de vapor pasa de nuevo al absorbente en donde es absorbido formando de
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
64
nuevo una mezcla que posteriormente pasará al generador, iniciando nuevamente el ciclo
(N’Tsoukpoe, Yamegueu, & Bassole, 2014). El ciclo básico de absorción se representa en la Figura
15 relacionando los estados de temperatura y presión en cada una de las etapas del ciclo. Como se
observa, puede ser necesario la utilización de una bomba que transporte la mezcla de absorbente y
refrigerante desde el proceso de absorción hasta la etapa de generación (o desorción), lo cual
depende del diseño particular del dispositivo de refrigeración.
Figura 15. Ciclo básico de refrigeración por absorción.
Fuente: Tomado de (N’Tsoukpoe et al., 2014)
Es posible aumentar el COP (coeficiente de rendimiento) en el ciclo por absorción cuando se
dispone de una fuente de calor a mayor temperatura, agregando efectos o etapas, lo cual consiste
en aprovechar el calor que se rechaza en el efecto de mayor temperatura en un ciclo (efecto) de
menor temperatura. Un refrigerador por absorción de un ciclo de una sola etapa también conocido
como de simple efecto, en el cual no se aproveche el calor que se rechaza, el COP variaría entre 0.6
y 0.8. El COP puede aumentar a 1.35 para un ciclo de dos etapas (doble efecto) y aproximadamente
1.7 para una máquina de triple efecto. En caso de emplear un solo efecto se suelen utilizar
colectores solares de placa plana; con dos efectos se utilizan colectores de tubo de vacío; en caso
de un triple efecto son ideales los colectores parabólicos concentrados o colectores de tubos de
vacío (Allouhi et al., 2015). Cabe resaltar que mientras más efectos se consideren en el diseño,
mayor es la complejidad del sistema y, asimismo, aumentan factores como el mantenimiento
requerido y el costo, entre otros.
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
65
3.3.2.2. Refrigeración por adsorción
La tecnología de adsorción tiene un ciclo similar al de los sistemas de absorción, con la diferencia de
que el absorbente se encuentra en estado sólido y no líquido, siendo este normalmente un sustrato
sólido altamente poroso con grandes superficies internas, del orden de cientos de 𝑚2/𝑔. En el
mercado es posible encontrar pares de trabajo de agua como refrigerante y gel de sílice como
adsorbente, sin embargo, existen líneas de I+D enfocadas al uso de zeolitas como material de
adsorción o la utilización metanol/carbón activo como refrigerante/adsorbente (López, Ibarra, &
Platzer, 2017).
El ciclo de adsorción incluye los mismos componentes principales en el ciclo de absorción, utilizando
un adsorbente en lugar de un absorbente. En la Figura 16 se observan los componentes principales
en el diseño propuesto por Mayor (Mayor, 2003), en la cual se tiene una aproximación dimensional
entre el tamaño de la cámara de refrigeración y un colector solar de placa plana empleado como
fuente de energía.
1: Captor solar.
2: Cristal de teflón.
3: Adsorbente.
4: Persianas de refrigeración.
5: Condensador.
6: Válvula autónoma.
7: Caja de refrigeración.
8: Evaporador.
Figura 16. Componentes de un refrigerador solar por adsorción. Fuente: Adaptado de (Mayor, 2003)
Durante el ciclo de adsorción, cuando el refrigerante se evapora en el evaporador se une a la
superficie del adsorbente por fuerzas de Van Der Waals. Luego de ello se transfiere calor al
adsorbente por medio de una fuente de aporte (solar, por ejemplo) aumentando la presión y
separando el refrigerante (desorción), lo cual es usualmente llamado un proceso de regeneración, ya
que el adsorbente queda listo para una nueva adsorción del refrigerante. El refrigerante pasa al
condensador liberando energía para pasar a un estado líquido (condensación). Mientras tanto, el
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
66
adsorbente disminuye su temperatura con un intercambiador de calor, disminuyendo su presión
hasta igualar la presión en el evaporador. El refrigerante pasa del condensador al evaporador
recibiendo el calor de la carga de refrigeración (acción refrigerante), pasando a un estado gaseoso,
para luego pasar al proceso de adsorción, en donde es adsorbido por el material de adsorción hasta
llegar a una temperatura equivalente a la del condensador, finalizando el ciclo (López et al., 2017).
Los pares de trabajo en el ciclo de adsorción son componentes críticos, por lo cual, las
investigaciones recientes sobre el tema se han dedicado a la mejora de la eficiencia del adsorbente
seleccionando adecuadamente el par óptimo. Muchos sistemas integran el adsorbente y el colector
solar juntos, donde el adsorbente se empaqueta en el colector solar. Para un funcionamiento
continuo, es necesario combinar dos ciclos de adsorción; dichos sistemas pueden lograr un COP de
0.6 (Allouhi et al., 2015). Por otro lado, las tecnologías de adsorción alimentadas por biomasa aún se
encuentran subdesarrolladas (Aste et al., 2017).
En general, los sistemas de adsorción térmica han sido estudiados exhaustivamente. Aunque varios
prototipos de refrigeración solar de adsorción fuera de la red han sido diseñados y probados con
éxito en trabajos de investigación, alcanzando a veces una eficiencia muy alta (demostrando la
viabilidad de esta tecnología), solo se han desarrollado pocos dispositivos y se han probado con
éxito en campos en áreas rurales con radiación solar ampliamente disponible (Aste et al., 2017). En
ejemplo de ello es el diseño de Santori et. al. quienes fabricaron un refrigerador solar por adsorción
para ayuda humanitaria en países del tercer mundo, útil para refrigerar vacunas y alimentos, con
dimensiones de 1,7x1,5x0,95𝑚, con un colector solar de 1,2 𝑚2 de área (Santori, Santamaria,
Sapienza, Brandani, & Freni, 2014).
3.3.3. Refrigeración termoeléctrica
El funcionamiento de la tecnología termoeléctrica se basa en el efecto Peltier, el cual consiste en el
proceso de transferencia de calor que sucede al unir dos tipos de material diferentes utilizando una
pieza semiconductora-base. Suministrando corriente continua de baja tensión al módulo, una cara
de este se enfría mientras que la otra se calienta; la cara fría puede alcanzar temperaturas de hasta
30 °C por debajo de la temperatura del aire externo. La Figura 17 representa un esquema con los
componentes principales de un refrigerador termoeléctrico(Enescu, Ciocia, Mazza, & Russo, 2017a),
donde se puede observar la utilización de materiales semiconductores (3) ubicados dentro de la
placa de transferencia de calor, empleando conductores de cobre (4) en contacto con sustrato
cerámico a partir del cual se encuentran fabricadas las caras de la placa.
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
67
Figura 17. Componentes en un refrigerador termoeléctrico.
Fuente: Tomado de (Enescu et al., 2017a)
Entre las ventajas de la refrigeración termoeléctrica se encuentran la alta durabilidad de estas ya que
tiene pocas partes móviles, se elimina el riesgo de escapes al no utilizar algún tipo de refrigerante y
a su vez tiene un bajo impacto ambiental al no emplear ningún tipo de refrigerante inflamable o
tóxico. Además de ello su costo de fabricación es bajo. Como desventaja principal se encuentra el
bajo COP en comparación con otras tecnologías. (Aste et al., 2017)
3.3.4. Refrigeración Stirling
Este tipo de tecnología se conforma básicamente por un pistón, un desplazador y un gas no
refrigerante (helio y nitrógeno, por ejemplo). En la Figura 18 se representan los componentes de un
refrigerador Stirling, su funcionamiento consiste en la compresión de un gas a través de un pistón,
que en la mayoría de los casos es accionado por un motor eléctrico (Aste et al., 2017). El gas a
presión elevada se transporta entre un intercambiador de calor a alta temperatura, en el que se
disipa el calor; posteriormente pasa a un regenerador en el que se disminuye la temperatura, así el
gas se transporta hacia una cámara de expansión en la que se baja a un más su temperatura; en
esa etapa se logra el proceso de enfriamiento de la caja de almacenamiento, la cual trasmite calor al
fluido, y al igual que en los otras tecnologías expuestas se inicia nuevamente el ciclo.(Barbieri et al.,
2015)
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
68
Figura 18. Diagrama de un refrigerador Stirling Fuente: Adaptado de(Wang et al., 2018)
Entre las principales desventajas de esta tecnología se encuentra la alta complejidad de instalación,
el mantenimiento requerido, y su alto costo, además, de acuerdo con la información consultada, en
el mercado existen pocos dispositivos que funcionan con esta tecnología donde en la mayoría de los
casos están diseñados específicamente para áreas de la salud.(Aste et al., 2017). Su principal
ventaja es la baja temperatura que puede llegar a alcanzar, útil en aplicaciones comerciales
(Hachem, Gheith, Aloui, & Ben Nasrallah, 2018a).
3.3.5. Otras tecnologías de refrigeración
Además de las tecnologías descritas, existen algunas otras con las características de ser sistemas
complejos, costosos y de investigación científica en desarrollo. Se consultó en diversas fuentes
bibliográficas y es poca la aplicabilidad e información que se encuentra con respecto a las ZNI, por lo
tanto, no harán parte de las tecnologías a evaluar para la selección del dispositivo, pues aun no son
competitivas en comparación con las anteriores (principalmente debido al costo, complejidad
asociada y falta de desarrollo científico). Sin embargo, a continuación, se describe su
funcionamiento:
Sistema Eyector: Esta tecnología es similar a la de refrigeración por compresión, con la diferencia
de que se omite la necesidad de un compresor al agregar un circuito de fluido que contiene un
dispositivo eyector, un generador y una bomba de recuperación de energía de baja graduación. La
Figura 19 muestra el ciclo de refrigeración por eyector, en el cual el trabajo principal del eyector es el
de aumentar la presión del fluido refrigerante que circula en el evaporador (lo cual se realizaría por
un compresor en un sistema tradicional por compresión), con ayuda de un fluido primario
proveniente del generador, el cual aumenta de energía con ayuda de la bomba de energía de baja
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
69
graduación. En el eyector ambos fluidos se mezclan (fluido primario y el refrigerante) para luego
pasar al condensador en donde la mezcla pasa a fase líquida separando las sustancias y
empezando nuevamente el ciclo (Liu, Wang, Jia, & Wang, 2018).
Figura 19. Ciclo de refrigeración por eyector. Fuente: Tomado de (Liu et al., 2018)
Aunque la estructura del eyector es relativamente simple, el mecanismo interno del eyector es
complejo debido a un campo de flujo supersónico en su diseño. Este sistema es atractivo debido al
bajo requerimiento de temperatura en la fuente de calor, sin embargo, su principal problema se
centra en el bajo coeficiente de rendimiento COP (Bellos, Theodosiou, Vellios, & Tzivanidis,
2018).
Refrigeración magnética: Se basa en la utilización del efecto magneto calórico (MCE), el cual
genera variaciones en la temperatura de un material magneto calórico (MCM) al aplicar cambios en
el campo magnético, de tal manera que el material MCM aumenta de temperatura con la
magnetización y se enfría con la desmagnetización; ya que el MCM en estado frio absorbe calor, se
genera el efecto de refrigeración. En la Figura 20 se observa un diagrama de partes para un sistema
de refrigeración magnética en la cual se observan los bloques MCM de transferencia de calor entre
las caras de recepción y emisión de calor (posición fría y caliente, respectivamente). Este sistema ha
sido estudiado por décadas, sin embargo, aún requiere de avances significativos para lograr ser
competitivo frente a otras tecnologías de refrigeración. Las investigaciones principalmente se centran
en los tipos y formas de los MCM, el control de flujo, los fluidos de transferencia de calor y la
corrosión en los MCM (Wu, Lu, Liu, & He, 2018).
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
70
Figura 20. Diagrama de partes de un sistema de refrigeración magnética.
Fuente: Adaptado de (Wu et al., 2018)
Refrigeración termoacústica: Esta tecnología utiliza el principio del efecto termoacústico, para
lograr la conversión de energía entre potencia acústica y térmica. El sistema realiza una
transferencia de calor desde el extremo de la carga refrigerante al ambiente, a través del movimiento
oscilatorio de un fluido sometido a compresión y expansión cíclica bajo excitación acústica. Esta
tecnología es atractiva debido a que los únicos componentes mecánicos que utiliza son los
conductores acústicos en una estructura simple que emplea esencialmente redes de tuberías, lo cual
hace que el sistema sea confiable, de bajo costo y bajo mantenimiento, además de ser amigable con
el medio ambiente dado que emplea gases inertes como medio de trabajo. En la Figura 21 se
muestra el diagrama de una onda de sonido dentro de un sistema de refrigeración termoacústico, en
donde se observan los conductos de entrada y salida del gas inerte a través de un tubo de
resonancia, el cual suele angosto. Las fuentes de energía pueden ser el aprovechamiento de calor
residual, la energía solar o los combustibles fósiles. La desventaja principal que presenta es su
elevado costo debido a que puede requerir sistemas de alta presión con componentes y fluidos de
trabajo costosos, por ejemplo: el helio o el argón (Saechan & Jaworski, 2018).
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
71
Figura 21. Diagrama esquemático de una onda de sonido en un refrigerados termoacústico. Fuente: Adaptado de (Raut & Wankhede, 2017)
3.4. Proyectos de refrigeración usando fuentes de energía no
convencional
A continuación, se describen algunos de los dispositivos de refrigeración que han sido desarrollados
en diferentes lugares del mundo para satisfacer la necesidad de llevar refrigeración a zonas que no
cuentan con un suministro energético continuo. Se evidencia que el recurso solar es la principal
fuente de energía para este tipo de dispositivos en zonas aisladas.
3.4.1. SolarChill
Este dispositivo funciona por accionamiento directo solar y se diseñó con el fin de almacenar en
pequeña escala vacunas y alimentos en lugares sin servicio de energía eléctrica. El dispositivo
funciona a partir de paneles solares conectados directamente al refrigerador, el cual contiene un
compresor que permite realizar el ciclo de refrigeración, es decir, se realiza el proceso de
refrigeración por compresión de vapor; el cual se expone en la sección 3.3. El proyecto tiene entre
sus objetivos brindar nuevas oportunidades a las personas que viven en lugares aislados y así
mismo tener la capacidad de funcionar en sitios que han sufrido catástrofes naturales para el
correcto almacenamiento de suministros aun cuando servicios como la energía eléctrica se
encuentren suspendidos.
El proyecto SolarChill, lanzado en el año 2001, es el resultado colaborativo entre diversas
organizaciones internacionales entre las que se encuentran el Programa de las Naciones Unidas
para el Medio Ambiente (UNEP), el Instituto Tecnológico Danés (DTI), Greenpeace Internacional,
entre otras. Actualmente se encuentra en etapa de implementación en 3 países: Kenia, Suazilandia y
Colombia. Según su página web (www.solarchill.org), en Colombia ya fueron instalados algunos
dispositivos que almacenarían vacunas en la Sierra Nevada de Santa Marta y en el Cauca. La Figura
22 muestra un diagrama y una fotografía del dispositivo.
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
72
Figura 22. Diagrama (izquierda) y fotografía real (derecha) del dispositivo Solarchill: refrigerador por accionamiento solar directo.
Fuente: Adaptado de(GEF, 2016)
Este dispositivo se caracteriza porque tener un bajo impacto ambiental, ya que los refrigerantes que
utiliza (ejemplo: HCFC, HFC libre) no contribuyen al calentamiento global. Además, logra
temperaturas entre 2 a 8°C para vacunas y alimentos perecederos, por lo tanto, puede ser utilizado
en los centros de salud, hogares y pequeños negocios, manteniendo la temperatura hasta por 5 días
con bajo nivel de radiación solar. La capacidad del dispositivo es de 50 litros, estando calificado para
trabajar en ambientes con una temperatura ambiente máxima de 32 °C (Thakare, 2016). El costo
aproximado del dispositivo es de 1.500 USD5 incluyendo el panel solar.
3.4.2. SunDanzer
SunDanzer es un dispositivo diseñado para brindar soluciones a las necesidades de refrigeración en
lugares sin conexión a la red eléctrica a precios bajos. Ofrecen productos para almacenar vacunas y
alimentos, para usos militares, domésticos y comerciales, mediante el uso de paneles solares que
impulsan directamente los dispositivos, los cuales al igual que el anterior, funcionan mediante el
accionamiento de un compresor, lo que permite identificar que el tipo de ciclo empleado es el de
compresión de vapor. Para la aplicación de almacenamiento de vacunas, utiliza un material
5 http://www.sitiosolar.com/solarchill-refrigerador-solar/
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
73
patentado de cambio de fase PCM, que mantienen el rango de temperatura que se requiere de 2°C
a 8°C. La vida útil del producto es de una década o más sin mantenimiento programado. En el caso
de dispositivos comerciales, han desarrollado desde pequeños refrigeradores para almacenamiento
de leche hasta contenedores de 40 pies alimentados con energía solar para garantizar seguridad
alimentaria en islas y aldeas; algunos ya han sido implementados en Kenia para fortalecer el
mercado lácteo (SunDanzer, 2018).
En la página web de la empresa que desarrolla este dispositivo (sundanzer.com) es posible comprar
refrigeradores con destino de entrega en Estados Unidos. Algunas de las características técnicas de
los productos de la marca se observan en la Tabla 8, donde se describen cuatro variedades con
capacidad de almacenamiento de 15, 55, 368 y 50 litros y su respectivo precio.
Tabla 8. Características dispositivo SunDanzer.
Capacidad bruta de almacenamiento 15 litros 55 litros 368 litros 50 litros
Almacenamiento Vacunas Vacunas Domestico Domestico
Zona climática Caliente (+43° C) Caliente (+43° C) 32° C 32° C
Fuente de energía - Voltaje 12V -
solar nominal 12V -
solar nominal
Matriz fotovoltaica de
275 W 10-31 VDC
10-31 VDC
Rango de Temperatura 2° C a 8° C 2° C a 8° C N/D N/D
Radiación solar requerida 3.5 kWh/𝑚2 ∙ día 3.5 kWh/𝑚2 ∙ día N/D N/D
Autonomía a 43º C 101 horas 19 minutes 83 horas 20 min N/D N/D
Refrigerante R134a R134a R134a R134a
PQS Código E003/039 E003/039 N/D N/D
Dimensión 70.4 x 59.4 x 77 cm 96.2 x 71.1 x 86.8 cm 161 x 73 x 87 cm 67.3 x 58.4 x
77.5 cm
Peso 59 kg 99 kg 79.4 kg 34 kg
Volumen 0,32 𝑚3 0,59 𝑚3 1,02 𝑚3 0,30 𝑚3
Dimensión producto embalado (con el kit completo
PV vacunas)
114.30 x 99.06 x 111.76 cm
114.30 x 99.06 x 111.76 cm
169 x 79 x 93 cm
69.9 x 62.2 x
92.7 cm
Precio en la página web 2.495 USD 3.599 USD 1.549 USD 699 USD
Fuente: Adaptado de (SunDanzer, 2018)
3.4.3. Dulas
Dulas es una empresa ubicada en Inglaterra, con 36 años de experiencia en la creación de
dispositivos de refrigeración con tecnología por compresión para uso en lugares aislados. Las
soluciones han sido incorporadas en África, Asia, las Islas del Pacífico y América Latina. Entre los
productos que ofrece se encuentran dispositivos para el almacenamiento de vacunas y sangre, que
funcionan utilizando paneles solares que se conecta directamente a los refrigeradores; en la Tabla 9
se pueden observar algunas características de las referencias de productos principales, donde cada
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
74
uno de ellos tiene un funcionamiento a partir de propulsión solar directa, siendo acreditados por los
estándares exigidos por la OMS (Dulas, 2018).
Tabla 9. Características del dispositivo Dulas.
Capacidad de Almacenamiento 37,5 litros
Precio 1.999 USD6
Temperatura Interna 2°C a 8°C
Zona Climática 5°C a 43°C
Tiempo de autonomía 72 horas
Tamaño de matriz solar recomendada
> 260 Wp
Dimensiones 987 x 890 x 740 (mm)
Peso del envío 115 kg
Voltaje 24 a 45 Vdc
Potencia de arranque mínima 40 W
Radiación solar mínima para funcionamiento continuo
150 W/m2 (usando matriz 260 Wp)
Compresor Danfoss / Secop BD35K
Refrigerante R600a
Periodo de referencia solar 3.5kWh / m2 / 24h
Características adicionales Tecnología Freeze-Free® para asegurar que las vacunas nunca expuestas a temperaturas peligrosas bajo cero.
Ruedas de alta resistencia para facilitar el manejo
Completamente sin batería, con conectores plug and play para una fácil instalación
Agujero de drenaje para facilitar la limpieza.
Fuente: Adaptado de (Dulas, 2018)
3.4.4. Máquinas de Hielo ISAAC
Uno de los ejemplos de aplicación de dispositivos de absorción en zonas aisladas de la red es la
máquina de hielo ISAAC desarrollada en el año 2009. Su función principal fue la de preservación de
leche en dos áreas rurales en la costa de Kenia a través de la producción de hielo. Fue desarrollada
6 https://www.who.int/immunization_standards/vaccine_quality/dulas_e3_103.pdf
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
75
por Solar Ice Company (SIC) quienes diseñaron una instalación con un funcionamiento
completamente sin electricidad. La Figura 23 muestra tres unidades instaladas en la ciudad de Kilifi,
en donde se puede observar la utilización de colectores solares parabólicos fijos como fuentes de
energía. El ciclo de funcionamiento se divide en dos etapas, realizadas alternativamente entre las
horas diurnas y nocturnas; en la Figura 24 se representan los ciclos de funcionamiento respectivos,
en donde se incluye un generador, un condensador, un evaporador y un dispositivo de absorción,
utilizando el par de trabajo amoníaco/agua (Erickson, 2009). Además de Kenia, no se encuentra
registro de aplicación o comercialización de la máquina de hielo en otros países.
Figura 23. Instalación de tres unidades de máquinas de hielo ISAAC en la ciudad de Kilifi (Kenia).
Fuente: Adaptado de (Erickson, 2009)
Figura 24. Diagrama de ciclo de funcionamiento de la máquina de hielo ISAAC durante el día
(izquierda) y durante la noche (derecha).
Fuente: Adaptado de (Erickson, 2009)
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
76
3.4.5. Solaref
En el año 2009 la sociedad Solaref lanzó al mercado un dispositivo de refrigeración por adsorción
solar llamado SOLAREF, bajo un concepto cooperativo: los refrigeradores se ofrecerían solo cuando
la población local esté capacitada para el montaje, la instalación y la reparación del dispositivo. El
diseño permitía conservar vacunas y alimentos fríos durante tres días consecutivos sin radiación
solar, también en condiciones de temperatura extremas, como 43 °C durante el día y 34 °C en la
noche, después de cinco días soleados consecutivos. El dispositivo generalmente no requería de
mantenimiento, no tenía ninguna parte móvil mecánica y no se necesitaba de acción humana para
su operación diaria. SOLAREF fue premiado por la Federación Nacional de la Asociación de
Inventores Franceses (FNAFI) y por la EBN (European Business Network) con el premio especial de
innovación (Aste et al., 2017b). Los modelos de 70 y 200 litros tenían un costo de 2.600 US y 3.700
US respectivamente (Darvaux, 2009), sin embargo, debido al alto costo del producto (alrededor de
20 y 40 dólares por cada litro de volumen refrigerado), el refrigerador se ha dejado de fabricar
(López et al., 2017).
3.5. Elección de la tecnología de refrigeración
A continuación, se presenta un resumen del fundamento teórico que dirige el proceso de selección
de la tecnología de refrigeración a partir de la consulta bibliográfica realizada. En primer lugar, se
describe la Casa de la Calidad perteneciente al Despliegue de la Función de Calidad (QFD) según la
cual se priorizan los aspectos técnicos de mayor relevancia sobre las tecnologías, en función de los
requerimientos y necesidades de la población. Por otro lado, se describe el Análisis Jerárquico de
Decisión como herramienta definitiva para la selección final de la tecnología que resuelve mejor las
necesidades de los usuarios de acuerdo con los diferentes criterios de decisión a tener en cuenta.
3.5.1. Despliegue de la función de calidad QFD
El despliegue de la función de calidad QFD, por sus siglas en inglés, es un enfoque creado por los
japoneses con el fin de satisfacer los requisitos del cliente en el proceso de diseño y los sistemas de
producción. Este enfoque hace parte del proceso de planeación para guiar un diseño, integrando la
voz del cliente con un conjunto de requerimientos técnicos que satisfacen las necesidades de estos;
utiliza como herramienta un diagrama de matriz para presentar la información llamada Casa de la
Calidad (James & Wiliams, 2014). Actualmente el enfoque se utiliza de manera exitosa en empresas
entre las que se encuentran General Motors, Ford, Mazda, Motorola, Xerox, Kodak, IBM, Procter &
Gamble, Hewlett-Packard y AT&T.
En la Casa de la Calidad se utilizan matrices para relacionar las peticiones del cliente con los
requisitos técnicos de un producto, los requisitos de los componentes, los planes para el control de
procesos y las operaciones de manufactura. En la Figura 25 se muestra el esquema de partes
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
77
principales en la Casa de la Calidad en donde se incluye un listado necesidades de los usuarios en
el diseño o sistema de producción, llamados QUÉ (1), un listado de requerimientos técnicos que
pueden solucionar las necesidades (2) llamados CÓMO, una matriz de relación entre los QUÉ y los
CÓMO en donde a partir de una escala cuantitativa se miden relativamente los efectos de los CÓMO
en los QUÉ (3), un esquema de relación entre los CÓMO que represente relativamente los posibles
conflictos entre ellos (4) y un análisis de los CÓMO (5) y de los QUÉ (6) según el análisis
ponderativo de la matriz de relación entre los QUÉ y los CÓMO.
Figura 25. Partes principales en la Casa de la Calidad. Fuente: Elaboración propia adaptada de (Bernal, Dornberger, & Suvelza, 2009)
El análisis QFD es una herramienta versátil dentro de las funciones de una organización, siendo útil
en el desarrollo de productos, administración de la calidad, análisis de las necesidades del cliente,
planificación estratégica, entre otros. Teniendo presente que por lo general resulta imposible lograr
la excelencia en todos los parámetros técnicos de diseño (con conflictos usuales entre sí, como por
ejemplo entre el costo y la calidad), el análisis QFD resulta de gran ayuda para la definición de
parámetros acordes con las necesidades de los clientes o usuarios, ya que pondera y jerarquiza los
diferentes requerimientos técnicos que pueden escogerse como punto de apoyo para el logro de la
solución (Cruz, 2015). Para el presente trabajo, se utilizó la herramienta QFD para relacionar los
requisitos técnicos del producto con las necesidades de la población, generando una evaluación
cuantitativa de cada tecnología de refrigeración en particular.
La construcción de la matriz se basó en los siguientes pasos básicos:
1.
QUÉ buscan los
usuarios
3.
Matriz de relación
entre los QUÉ y los
CÓMO
6.
Análisis de los QUÉ
2. CÓMO solucionar las
necesidades
QUÉ buscan los
usuarios
4. Relación entre
los CÓMO
5. Análisis de los CÓMO
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
78
1. Identificación de los requerimientos del cliente (QUÉ).
2. Identificación de los requisitos técnicos (CÓMO).
3. Relacionar los requisitos del cliente con los requisitos técnicos.
4. Realizar una evaluación de los competidores.
5. Determinación de los requisitos técnicos que se deben desplegar en el diseño.
El desarrollo de estos pasos se expone en la sección 4.4 (Análisis competitivo entre las tecnologías
de refrigeración).
3.5.2. Análisis jerárquico de decisión
Cuando hay diversas alternativas, pueden existir múltiples objetivos que se confrontan entre sí, lo
cual hace compleja la toma de decisiones; el método del Análisis Jerárquico permite realizar la
comparación de múltiples criterios frente a diferentes alternativas. Fue desarrollado a finales de los
años 60 por Thomas Saaty, a partir de su experiencia en las fuerzas militares. Actualmente es la
base de paquetes de software diseñados para la toma de decisiones. Es un método matemático
utilizado cuando la experiencia, (es este caso el conocimiento adquirido por la investigación) hace
parte fundamental de la decisión. Hace uso del algebra matricial para definir las prioridades entre los
elementos que participan en el problema y se fundamenta en tres axiomas para su desarrollo, el
reciprocal que consiste en que al comparar dos alternativas dado un criterio, al ser la alternativa x
mejor que la y en una proporción de n veces, la alternativa y frente a la x dado el mismo criterio será
1/n veces mejor; el de homogeneidad que se refiere a que las alternativas que son comparadas
entre si deben tener criterios de comparación similares entre ellas, y finalmente el de síntesis que se
basa en que no hay dependencia entre criterios con otras. .El proceso consiste en lo siguiente
(GÓMEZ & CABRERA, 2008):
1. Teniendo 𝑖 criterios de decisión, dado 𝑖 = 1, 2, … , 𝑚, donde 𝑚 es el número máximo de
criterios, se determinan los respectivos pesos relativos de importancia 𝑤𝑖 entre dichos criterios
(los cuales en este caso se obtendrían según el análisis QFD).
2. Para cada criterio de decisión 𝑖, se comparan 𝑛 cantidad de alternativas 𝑗 (en este caso las
tecnologías de refrigeración), entre sí, según los pesos relativos en dicho criterio de decisión
(cuyos valores se obtienen en este caso, de los resultados del análisis QFD), generando un
peso relativo 𝑤𝑖𝑗.
3. Para cada alternativa 𝑗 se establece el peso 𝑊𝑗 tal que 𝑊𝑗 = ∑ (𝑤𝑖𝑗𝑖=𝑚𝑖=1 ∙ 𝑤𝑖)
4. Se comparan los resultados 𝑊𝑗 entre las alternativas 𝑗, donde la mejor decisión será aquella con
el mayor peso relativo 𝑊𝑗.
5. Se realiza la prueba de consistencia de cada una de las matrices para verificar que, al realizar el
procedimiento, en este no haya habido contradicciones implícitas. Para este paso se utiliza la
ecuación de razón de consistencia (RC).
Capítulo 3: Marco teórico y referencial
79
𝑅𝐶 =𝐼𝐶
𝐼𝐴 [1]
Donde, el índice de consistencia (IC), se halla multiplicando la matriz inicial por el vector de
peso, obteniendo como resultado un vector A, del cual cada uno de sus componentes se divide
entre los componentes del vector peso; luego se hace un promedio de los componentes del
vector resultante, obteniendo un vector unitario B, que se utiliza para resolver la ecuación IC,
donde n es el número de componentes de la matriz nxn.
𝐼𝐶 =𝐵 − 𝑛
𝑛 − 1 [2]
El índice de aleatoriedad IA, se halla utilizando la ecuación
𝐼𝐴 =1,98(𝑛 − 2)
𝑛 [3]
Finalmente se tiene que si RC ≤ 0.1 la matriz es consistente; si las matrices no son consistentes,
deben volverse a plantear.
La aplicación del método se lleva a cabo en la sección 4.5.
80
Capítulo 4. Desarrollo metodológico
4.1. Introducción
En el presente capítulo se desarrolla la selección definitiva de la tecnología que mejor se adapta a
las necesidades de la población en las ZNI, según lo cual se establecen un conjunto de parámetros
sobre un diseño base para un dispositivo de refrigeración con FNCER. En primer lugar, se describen
14 variables técnicas asociadas a los respectivos indicadores de evaluación, empleadas
posteriormente en el desarrollo de un análisis en un cuadro comparativo sobre cada una de las
tecnologías principales: compresión, absorción, adsorción, termoeléctrica y Stirling. Luego de ello se
desarrolla un análisis competitivo aplicando la metodología de la Casa De la Calidad según lo cual
se obtiene una valoración cuantitativa de cada una de las tecnologías. Posteriormente se aplica el
Análisis Jerárquico de Decisión, con lo cual se define la tecnología que mejor se adapta a las
necesidades de la población en ZNI. Se presenta la definición y cálculo de parámetros sobre un
prototipo, con un análisis de sensibilidad sobre las variables más importantes para luego validar el
modelo general a través del software de simulación de procesos químicos Aspen Hysys. Además de
ello se presenta una aproximación de las dimensiones del dispositivo a través de SolidWorks.
Finalmente se presentan algunas posibles variaciones en el prediseño según las condiciones
geográficas particulares de cada región en ZNI, y una estimación del costo del dispositivo.
4.2. Variables e indicadores técnicos de evaluación
Para realizar el análisis comparativo de las tecnologías de refrigeración es necesario definir variables
medibles que permitan realizar una adecuada caracterización en cada caso. A partir de la
investigación realizada, los autores del presente trabajo definieron 14 variables para la medición de
características puntuales consideradas importantes dentro de la evaluación, teniendo en cuenta la
satisfacción de las necesidades ya descritas en las ZNI. En la sección 4.4 se utilizan estas variables
para la elaboración de la casa de la calidad, permitiendo identificar los parámetros más relevantes
de acuerdo con las necesidades de los usuarios, generando una valoración sobre cada tecnología
de tal forma que pueda definirse una selección acertada. Las 14 variables establecidas son las
siguientes:
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
81
1. Rango de temperatura del dispositivo: Se considera una variable importante debido a que al
representar los límites de temperatura posibles también limita las posibilidades de conservación
(tiempo) en los diferentes tipos de productos perecederos. El indicador se mediría a partir de una
métrica de temperatura (°C). Resultaría ideal que la tecnología de refrigeración pueda llegar a
temperaturas de congelamiento cercanas a los -18 °C, ya que de esta manera se lograría
almacenar alimentos cárnicos y pescados por tiempos prolongados de hasta 8 meses (FDA,
2018). Esto resulta especialmente importante teniendo presente que el pescado es un alimento
con una alta producción y consumo en regiones como el pacífico, con una densidad poblacional
alta entre las ZNI.
2. Autonomía frente a factores de suministro externos: Esta variable mediría la autonomía de una
tecnología para mantenerse en funcionamiento en una eventual disminución del suministro de
energía. Se considera una variable importante debido a que se busca que la tecnología de
refrigeración sea capaz de mantener una temperatura fija con cierto grado de seguridad aun
cuando se tengan factores externos no favorables que puedan afectar el suministro de energía
obtenido de las FNCER. El indicador de esta variable se mediría en función del tiempo (días) en
el cual un dispositivo es capaz de conservar su temperatura interna dada una situación externa
desfavorable, como por ejemplo la escasez de radiación solar en ciertas condiciones climáticas,
para un refrigerador con fuente de energía solar.
3. Almacén de energía: Esta sería una variable binaria (si o no) que definiría si la tecnología
permite o no la utilización de almacenes de energía. Resulta importante en tanto se tenga
presente que el suministro de energía para la tecnología de refrigeración utilizará alguna
modalidad de FNCER, por lo tanto, está sujeta a intermitencia en el aprovechamiento de las
fuentes, ya sea que se trate de energía solar, eólica, biomasa, etc. Esta variable guarda relación
con la variable anterior (autonomía frente a factores de suministro externos) en tanto los
almacenes de energía aumentan la autonomía de un dispositivo, sin embargo, se considera que
debe evaluarse por separado ya que el uso de almacenes puede implicar impactos ambientales
como en el caso de las baterías o las reservas de combustible fósil en un sistema híbrido que
utilice la energía solar como fuente principal y un combustible como respaldo (Aste et al.,
2017a).
4. Confiabilidad: El nivel de confiabilidad de la tecnología de refrigeración sería una variable que
evaluaría la capacidad de la tecnología de perdurar sin fallas en una línea de tiempo. Esto se
encuentra relacionado con el grado de mantenimiento de la tecnología, donde sería ideal que
existan pocos requerimientos de mantenimiento (bajos costos de mantenimiento, largos periodos
entre mantenimientos preventivos, etc.) con mayores ciclos de vida de los dispositivos. Se
considera importante debido a que las condiciones geográficas de las ZNI dificultarían el acceso
de los usuarios a centros técnicos de reparación, por lo cual sería ideal minimizar esta
necesidad. Por otro lado, es particularmente importante tener en cuenta el nivel de aptitudes de
conocimiento requerido para el mantenimiento de la solución energética, ya que en caso de ser
alta podrían tenerse fuertes barreras de implementación ya que se requeriría de personal
capacitado en caso de fallas, lo cual probablemente no podría obtenerse fácilmente teniendo en
cuenta el conocimiento local en una determinada zona. El indicador se evaluaría de manera
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
82
relativa (comparativa) entre las tecnologías de refrigeración, con una métrica de número de
partes requeridas, ya que a mayor número de componentes, mayor es el grado de
mantenimiento y menor el grado de confiabilidad (Milanes, Rodriguez, & Scenna, 2012).
5. Versatilidad: Con esta variable se hace referencia a la capacidad de la tecnología de abarcar
amplios rangos de temperatura y tamaños de acuerdo con las necesidades de los usuarios. Se
evaluaría utilizando dos métricas: temperatura (°C) y volumen (𝑚3), los cuales establecerían
rangos permitidos de funcionamiento. Se considera importante debido a que se relaciona
directamente con la utilidad de una tecnología para los usuarios. Una alta versatilidad en una
tecnología de refrigeración podría hacer referencia a que es posible utilizar la tecnología para
diseñar dispositivos con temperaturas que pueden llegar al congelamiento, con la posibilidad de
tener capacidades de almacenamiento volumétrico en categorías que podrían equivaler a los de
un refrigerador portátil (4 litros, por ejemplo) o a los de un refrigerador de gran tamaño (600
litros, por ejemplo). Una versatilidad baja podría indicar bajos rangos de alcance en ambas
métricas de evaluación. A mayor versatilidad en la tecnología mejor sería su desarrollo ya que
podría emplearse en diferentes contextos alrededor de varias necesidades.
6. Espacio requerido: Esta variable mediría el volumen que ocupa un dispositivo incluyendo todos
los componentes necesarios para su funcionamiento. La métrica de evaluación del indicador
sería el volumen (𝑚3). Esta variable es importante en primer lugar, al tener presente aspectos
relacionados con la logística de transporte, ya que a mayor espacio requerido los costos de
transportar un determinado dispositivo serán mayores, especialmente si por ejemplo para llegar
al lugar de destino se debe transitar por vías terciarias ya que esto agregaría mayor complejidad.
En segundo lugar, un dispositivo con un amplio espacio requerido puede representar mayores
dificultades de carácter ergonómico para los usuarios finales en lugares con poco espacio
disponible.
7. Volumen de refrigeración: Esta variable evaluaría únicamente el espacio destinado para el
almacenamiento de productos dentro del dispositivo. La métrica de evaluación del indicador
sería el volumen (𝑚3). Esta es una variable que debería maximizarse, ya que para usuarios en
ZNI, localizados en espacios geográficamente alejados de otras fuentes de recursos (ya sea que
se trate de frutas, vegetales, carnes, fármacos, etc.), es preferible que puedan almacenar la
mayor cantidad de suministros de tal forma que se prolonguen los tiempos de consumo luego
del abastecimiento.
8. Adaptabilidad a fuentes no convencionales de energía: Un alto grado de adaptabilidad de las
tecnologías de refrigeración a fuentes no convencionales de energía es indispensable para
lograr su participación en ZNI. Esta variable mediría un indicador con métrica binaria (si o no)
que establecería un filtro sobre si es o no posible la integración se la tecnología con algún tipo
de FNCER. En la medida en que el desarrollo de la tecnología permita adaptarla a diferentes
fuentes de energía (solar, eólica, biomasa, etc.) mayor será la posibilidad de emplearla en
diferentes contextos, siendo ideal que el diseño del dispositivo utilice una fuente renovable de
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
83
energía abundante en la zona de destino. También es importante la trayectoria de desarrollo
tecnológico en el logro de dichas adaptabilidades, ya que esto puede significar mayor eficiencia
en el uso de la energía, así como también menores costos.
9. Vida útil: La vida útil promedio entre los dispositivos de una tecnología es una variable
importante en relación con los costos de inversión, donde a menor vida útil se esperaría tener
que recurrir a mayores gastos de inversión en un determinado rango de tiempo. La métrica de
evaluación sería el tiempo (años). Se buscaría que la vida útil se extienda la mayor cantidad de
tiempo posible, a favor de una disminución en la inversión monetaria. También es importante
tener en cuenta que un dispositivo con menor vida útil puede requerir de un mantenimiento con
mayor periodicidad (con el objetivo de alargar dicha vida útil), en comparación con un dispositivo
con larga vida útil, lo cual también se traduce en mayores costos.
10. Costo: Resulta importante tener en cuenta esta variable debido a que afecta directamente la
inversión en adquisición de las tecnologías o los dispositivos de refrigeración. La métrica de
evaluación serían unidades monetarias, con un indicador comparativo entre los diferentes
dispositivos. A mayor costo de compra mayor será la necesidad en recursos de inversión
monetaria y por tanto resultará más difícil que los usuarios puedan obtener los dispositivos en
las ZNI, independientemente de que se subsidien por parte del gobierno o se adquieran con
recursos personales. Aun cuando una tecnología resulte eficiente en su funcionamiento, si
resulta demasiado costosa en su adquisición y/o funcionamiento no sería fácilmente
aprovechable.
11. Eficiencia energética: Esta variable se mediría de acuerdo con el Coeficiente de Rendimiento
(COP), el cual establece la relación entre la cantidad de calor extraído para el enfriamiento útil
(efecto de refrigeración, 𝑄) y el trabajo requerido para ello (𝑊) tal como se muestra en la
ecuación [4]. El trabajo (𝑊) para la evaluación del COP se mediría desde el compresor en un
refrigerador por compresión, por ejemplo (Srithar et al., 2018).
𝐶𝑂𝑃 =
𝐸𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑅𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛
𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜=
𝑄
𝑊 [4]
Este es un indicador útil en la evaluación de las tecnologías de refrigeración debido a que
relaciona la cantidad de energía requerida para el funcionamiento del dispositivo con la energía
realmente aprovechada para lograr la refrigeración. Si el COP resulta ser muy bajo, se requerirá
de mayor suministro de energía frente a otra tecnología con un mayor COP, en las mismas
condiciones, lo cual aumentaría factores como el costo en suministro energético.
Es importante resaltar los datos encontrados en las encuestas de los PERS Nariño, La Guajira,
Chocó y Tolima analizados desde el punto de vista de la eficiencia energética en los Anexos del
PIEC 2016 – 2020 (UPME, 2016), donde se encuentra que los refrigeradores utilizados en las
ZNI consumen casi dos veces la energía de un refrigerador eficiente debido a las condiciones en
dichas poblaciones: refrigeradores usualmente obsoletos, falta de mantenimiento, tamaños
innecesariamente grandes, etc.
12. Nivel de emisiones de 𝐶𝑂2: Las plantas diésel, comúnmente utilizadas en las ZNI, generan
emisiones de 𝐶𝑂2cercanas a los 0,7326 𝑡 𝑑𝑒 𝐶𝑂2/𝑀𝑤ℎ (UPME, 2016). Es importante que las
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
84
tecnologías de refrigeración tengan nulas o bajas emisiones de 𝐶𝑂2, lo cual se evaluaría en una
métrica medida en toneladas de 𝐶𝑂2 en relación con la energía empleada. Un dispositivo que
genere altas emisiones de 𝐶𝑂2 afectaría uno de los objetivos en la implementación de FNCER a
nivel general, el cual es la disminución de los impactos ambientales.
13. Precisión de temperatura: Esta variable evaluaría el grado de control del dispositivo de
refrigeración sobre la temperatura requerida, en condiciones normales de funcionamiento, lo
cual puede resultar crucial al momento de refrigerar productos farmacéuticos o vacunas, ya que
estos son muy sensibles a la temperatura de almacenamiento. La variable podría medirse en
función de la temperatura obtenida en relación con la temperatura requerida, tal que en
condiciones perfectas dicha relación debería equivaler a 1. Por tanto, la métrica de evaluación
sería adimensional.
14. Desarrollo tecnológico (trayectoria): En la medida en que se tengan mayores desarrollos
científicos alrededor de una tecnología aumentarán los beneficios que de ella se obtienen, pues
significaría que se tienen mejoras significativas, por ejemplo, en cuanto a sus funciones,
aplicaciones o disminución en sus costos. Sin embargo, es importante tener en consideración
que emplear dispositivos de última tecnología no necesariamente puede ser beneficioso, ya que
esto puede requerir de conocimiento experimentado para su utilización o instalación, lo cual no
suele estar disponible en zonas aisladas a la red (Aste et al., 2017a). Por tanto, el desarrollo
tecnológico debería evaluarse como un indicador según el nivel de trayectoria de la tecnología
en aplicaciones sobre contextos rurales, con una métrica binaria definida según existan o no,
casos de éxito a nivel mundial.
4.3. Comparativa entre las tecnologías de refrigeración
La Tabla 10 muestra las características particulares de cada tecnología de refrigeración sujeta a
comparación, alrededor de diferentes aspectos técnicos relacionados con las variables de
evaluación:
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
85
Tabla 10. Cuadro comparativo entre las tecnologías de refrigeración con fuentes no convencionales de energía.
CARACTERÍSTICA REFRIGERACIÓN POR
COMPRESIÓN
REFRIGERACIÓN POR
ABSORCIÓN
REFRIGERACIÓN POR
ADSORCIÓN
REFRIGERACIÓN
TERMOELÉCTRICA
REFRIGERACIÓN
STIRLING
Aplicaciones
Es una de las tecnologías
más utilizadas en la
refrigeración, teniendo
gran número de
aplicaciones en diferentes
contextos
(López et al., 2017).
La aplicación dependerá
principalmente de los
fluidos de trabajo que se
utilicen. Las temperaturas
de trabajo de estas
aplicaciones fluctúan entre
los -20 y 20°C
(López et al., 2017).
Las unidades de energía
pequeñas (1-10 kW) se
usan normalmente para
aplicaciones relativas a la
salud (almacenamiento de
vacunas y medicinas)
(SET4food, 2014)
Funcionan en equipos
científicos de laboratorio,
tecnologías para
transporte de alimentos y
fármacos por aire, tierra o
mar. Almacenamiento
estacionario de sangre e
insumos medicinales, en
barcos, submarinos,
camiones y aviones
militares.
(Rubio Ramírez, Lizarazo,
& Vera Duarte, 2017)
Adecuada en casos de
requerimientos de bajas
temperaturas o
temperaturas ambientales
elevadas. Ejemplo:
conservación de carne o
pescado en climas
cálidos.
(Hachem et al., 2018a)
Capacidad de
Almacenamiento
Posible en amplio rango
de volúmenes.
(SET4food, 2014)
Posible en amplio rango
de volúmenes.
(SET4food, 2014)
Posible en rango de
volúmenes altos y medios.
Los bajos volúmenes aún
se encuentran
subdesarrollados.
(Aste et al., 2017a)
Capacidad entre 1 y 50
Litros, para vacunas y
alimentos que no
necesiten temperaturas
muy bajas de
refrigeración.
(SET4food, 2014)
Existen ejemplares solo
con baja capacidad. (Aste
et al., 2017a)
Capacidad de
enfriamiento
Amplio, llegando a la
congelación. Se
encuentran proyectos
para temperaturas en el
rango de 2°C a 8°C para
vacunas y sangre, y de
menos de 4°C para
lácteos en uso comercial. (SunDanzer, 2018)
Capacidad de
enfriamiento según par de
trabajo. Puede llegar a -77
°C al emplear amoniaco
(López et al., 2017).
Poca potencia de
enfriamiento. Máximo 30
°C por debajo de la
temperatura ambiente
(SET4food, 2014)
La temperatura más baja
que alcanza es de 5°C a
una temperatura ambiente
de 25°C. No llega a la
congelación. Máximo 30
°C por debajo de la
temperatura ambiente
(Barbieri et al., 2015).
Logra temperaturas muy
bajas
(Aste et al., 2017a)
Complejidad técnica Complejidad moderada. Fáciles de fabricar por Menos complejas que las Baja (Aste et al., 2017a). Complejidad técnica alta
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
86
(Aste et al., 2017a) contener pocas o ninguna
parte móvil
(N’Tsoukpoe et al., 2014)
de absorción, por tanto,
simples de fabricar
(SET4food, 2014)
Se pueden desarrollar
prototipos funcionales en
hogares. (SET4food,
2014)
(Aste et al., 2017a)
Componentes Principales
Caja hermética, fluido
refrigerante, compresor,
evaporador, sistema de
control
(SET4food, 2014)
Refrigerante (sorbente) y
absorbente (Pares de
trabajo) condensador,
evaporador (Sarbu &
Sebarchievici, 2015b)
Sorbente sólido,
adsorbente, condensador,
nevera evaporadora
(Sarbu & Sebarchievici,
2015b).
Dos placas de materiales
semiconductores: tipo P y
tipo N, conductor eléctrico
de cobre, aislante
eléctrico (ejemplo:
cerámica)
(Ramírez & Guillermo
Martheyn Lizarazo, 2017)
Motor eléctrico, pistón,
desplazador, gas de
funcionamiento, caja de
almacenamiento
(Aste et al., 2017a)
Confiabilidad
Muy alta debido al
sellamiento con
posibilidad limitada de
fuga o contaminación
(López et al., 2017).
Solución válida siempre
que se cuente con
radiación solar disponible
por completo. En caso de
tener suministro biomasa,
la confiabilidad será alta
garantizando rendimiento
en casi todas las
condiciones; sin embargo,
requerirá cuidado en la
planificación de la cadena
de suministro de la
biomasa
(Aste et al., 2017a).
En caso de tener
suministro biomasa, la
confiabilidad será alta
garantizando rendimiento
en casi todas las
condiciones; sin embargo,
requerirá cuidado en la
planificación de la cadena
de suministro de la
biomasa
(Aste et al., 2017a)
Alta gracias a que no
requieren fluidos
refrigerantes, ni piezas
móviles
(Aste et al., 2017a).
Funciona siempre y
cuando cuente con un
dispositivo externo que
pueda accionar el pistón
(Hachem, Gheith, Aloui, &
Ben Nasrallah, 2018b).
Costo
En el mercado se puede
adquirir productos y
módulos a bajo costo,
(Aste et al., 2017a)
sin embargo el costo de
Los precios de adquisición
pueden ser de medios a
altos (Aste et al., 2017a)
su costo de instalación y
operación puede ser
Los precios de adquisición
pueden ser de medios a
altos (Aste et al., 2017a)
su costo de instalación y
operación puede ser
Los costos de
funcionamiento,
instalación y operación
son bajos. (Aste et al.,
2017a)
El costo de compra y de
instalación es alto, sin
embargo, el costo de
operación es medio. (Aste
et al., 2017a)
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
87
instalación puede ser alto
(SET4food, 2014)
menor que el que tienen
los dispositivos de
compresión (SET4food,
2014)
menor que el que tienen
los dispositivos de
compresión (SET4food,
2014)
Desarrollo en contextos
fuera de la red
De uso común para zonas
conectadas y además
para lugares no
conectados a la red con
resultados favorables.
(Aste et al., 2017a)
Se han desarrollado
varias aplicaciones en
contextos fuera de la red
(N’Tsoukpoe et al., 2014)
Pocas aplicaciones debido
a la falta de pares de
trabajo con buen
rendimiento
(Sarbu & Sebarchievici,
2015b).
Muy desarrollados y
aplicados en el campo
(Aste et al., 2017a)
No se encuentran
desarrollos o aplicaciones
comprobadas para zonas
no conectadas a la red.
Eficiencia energética
El COP varía típicamente
entre 1,5 y 3,5,
dependiendo del tamaño,
las condiciones de carga y
las temperaturas de
funcionamiento
(SET4food, 2014)
Baja. COP entre 0,6 y 0,8.
Los sistemas de absorción
de doble y triple efecto
(con condensadores de
alta y baja temperatura y
generadores) tienen
mayores coeficientes de
rendimiento (1,0-1,6)
(SET4food, 2014)
El COP varía de 0,2 a 1,5
dependiendo del número
de efectos. Los de efecto
simple tienen un COP de
0,5 a 0,7
(López et al., 2017)
Baja. Tiene un coeficiente
de rendimiento
equivalente a 1/5 del de
un sistema de compresión
de vapor (SET4food,
2014)
Alta en el caso del
refrigerador Stirling de
pistón libre
(SET4food, 2014)
Estado de desarrollo
tecnológico
Las investigaciones
actuales buscan reducir el
grado de GWP (Global
Warming Potencial) de los
gases refrigerantes
(López et al., 2017).
Las investigaciones
buscan aumentar el COP.
(Sarbu & Sebarchievici,
2015b)
Las investigaciones
buscan desarrollo de
mejores pares de trabajo y
mejoramiento del COP.
(Sarbu & Sebarchievici,
2015b)
Las investigaciones
buscan el mejoramiento
del COP, así como el
aumento del tamaño de la
caja de refrigeración.
(Enescu, Ciocia, Mazza, &
Russo, 2017b)
Las investigaciones de las
industrias de enfriamiento
que utilizan estos
refrigeradores están
dirigidas hacia el logro de
la reducción de tamaño de
los dispositivos; factor que
hasta la actualidad ha sido
inversamente proporcional
a la capacidad de
enfriamiento del
dispositivo.
(Hachem et al., 2018b)
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
88
Fuentes de alimentación
de energía
Existen proyectos que
alimentan los dispositivos
a partir de celdas
fotovoltaicas que accionan
directamente el compresor (SunDanzer, 2018).
Calor residual, energía
solar térmica y
biocombustibles
(Allouhi et al., 2015). Se
adopta muy
frecuentemente para la
refrigeración solar.
Requieren ser
alimentados con fuentes
de calor de 80 a 110 °C
en simple efecto y 120-
150 °C en doble efecto
(López et al., 2017).
Pueden ser alimentados
con fuentes de calor de 50
a 100 °C. En caso de ser
biomasa funciona con
cualquier fuente
localmente disponible
(ejemplo: carbón, estiércol
de vaca, combustibles
fósiles, etc.)
(Sarbu & Sebarchievici,
2015b).
Se puede alimentar la
placa de la celda Peltier
directamente a partir de
celdas fotovoltaicas. (Aste
et al., 2017b)
Pueden conectarse a
fuentes de energía de
12/24 V o unidades más
grandes a 110/230 V
(SET4food, 2014).
El motor eléctrico podría
ser alimentado por fuentes
alternativas de energía
(Hachem et al., 2018b).
Grado de control
(precisión de temperatura)
Moderado
(Belman, Barroso,
Rodriguez, & Camacho,
2015)
Moderada (según diseño).
(SET4food, 2014)
Moderada (según diseño).
(SET4food, 2014)
Alta Precisión.
(Enescu et al., 2017b)
No se encuentra
información al respecto.
Impacto ambiental
Los refrigerantes suelen
tener alto GWP (Global
Warming Potencial)
(López et al., 2017)
Desarrollos actuales
buscan mitigar el impacto
en la capa de ozono.
(Belman et al., 2015)
Los colectores térmicos
pueden emplear
refrigerantes ecológicos
(2017, Fraunhofer)
El circuito usa gases con
bajo o nulo potencial de
GEI
(Allouhi et al., 2015)
El uso de keroseno o
fluidos inflamables puede
resultar en graves
consecuencias si no se
usan correctamente
(SET4food, 2014). Los
colectores térmicos
pueden emplear
refrigerantes ecológicos
(López et al., 2017).
Nuevas tecnologías para
máquinas de hacer hielo
usan agua como agente
enfriador en lugar de CFC
Principal impacto
ambiental asociado al uso
de baterías.
No emite gases de efecto
invernadero debido a que
no utiliza fluidos de
trabajo.
(Aste et al., 2017a)
No se encuentra
información al respecto.
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
89
(o un gas tóxico)
(SET4food, 2014)
Necesidades de
mantenimiento
Requerido bajo
mantenimiento tanto en el
producto como en la red
de suministro solar. La
necesidad de un
compresor representa las
principales necesidades
de mantenimiento
(López et al., 2017).
Disminución de
requerimientos por
contener pocas o ninguna
parte móvil.
(N’Tsoukpoe et al., 2014)
Muy poco en relación con
las demás tecnologías,
debido a que requiere
pocas o nulas partes
móviles
(SET4food, 2014)
No requieren
mantenimiento frecuente
debido a que no emplea
fluidos y requiere pocas
partes móviles. Pueden
tener una larga vida útil.
Requiere mantenimiento
de las baterías en caso de
emplearlas (Aste et al.,
2017a)
Su complejidad técnica
hace que el
mantenimiento exija
personal altamente
capacitado para realizar
mantenimiento e
instalación.
(Hachem et al., 2018b)
Otras ventajas
En países desarrollados
se han implementado
proyectos con esta
tecnología para zonas no
conectadas a la red.
(SET4food, 2014)
Fáciles de controlar, no
producen vibraciones o
ruido (Allouhi et al., 2015)
Control más simple,
ausencia de vibración.
Transforma el calor solar
directamente en frío, sin
ningún paso intermedio
como la conversión del sol
en electricidad.
(SET4food, 2014)
Compacta y duradera.
Adecuado para
aplicaciones en
condiciones de
vibraciones o choques.
(Aste et al., 2017a)
Su principal ventaja es la
baja temperatura que
puede alcanzar. (Hachem et al., 2018a)
Requerimientos
Particulares
Espacio de disipación de
calor al exterior. Si hay
altos niveles de humedad
relativa, se tiene que
considerar un sistema de
drenaje y eliminación.
(Belman et al., 2015)
La caja térmica tendrá un
grado variable de
aislamiento dependiendo
de las condiciones
ambientales. La cubierta
debe ser impermeable
(SET4food, 2014)
Deben ubicarse en un
espacio donde el calor
producido por el
condensador pueda ser
disipado al entorno
externo; por esta razón,
las máquinas se colocan
siempre al exterior.
(SET4food, 2014)
Debe estar en espacios
cubiertos debido a que el
aislamiento e
impermeabilidad del
sistema es fundamental
para su funcionamiento
(SET4food, 2014). Es
importante transportar el
calor de una manera
eficiente, por lo cual los
intercambiadores de calor
y ventiladores deben
mantenerse limpios, con
Requiere de un motor
eléctrico para funcionar.
(Hachem et al., 2018b)
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
90
adecuados flujos de aire.
(Aste et al., 2017).
Susceptibilidad al clima
Funciona en climas
externos en rangos de 5
°C hasta 43 °C
(SET4food, 2014)
Periodos de alta
nubosidad pueden ser
problemáticos en caso de
que dependa de la
energía solar
(SET4food, 2014)
Periodos de alta
nubosidad pueden ser
problemáticos en caso de
dependencia de la energía
solar
(Aste et al., 2017a)
Periodos de alta
nubosidad pueden ser
problemáticos (Aste et al.,
2017a)
Funciona a temperaturas
ambiente superiores a
25°C. (SET4food, 2014)
Periodos de alta
nubosidad pueden ser
problemáticos
(Aste et al., 2017a)
Uso portable
Posible. Típicamente, los
sistemas portátiles tienen
un volumen refrigerado a
partir de 30-40 litros
(SET4food, 2014)
No son adecuados debido
al alto volumen de la
tecnología.
(Sarbu & Sebarchievici,
2015b)
No son adecuados ya que
son muy voluminosos, lo
cual dificulta su
transporte.
(Sarbu & Sebarchievici,
2015b)
Adecuado debido al
pequeño tamaño de los
dispositivos, además de
que los elementos
termoeléctricos no sufren
por vibraciones o golpes.
(Aste et al., 2017a)
No se encuentra
información al respecto.
Utilización de almacenes
térmicos
Hielo o material de cambio
de fase (SET4food, 2014)
Posibilidad de emplear
hielo (SET4food, 2014)
Posibilidad de emplear
hielo
(SET4food, 2014).
Disponible, con una
capacidad limitada
(Aste et al., 2017a)
Disponibles con una
capacidad limitada (Aste
et al., 2017a)
Utilización de Baterías
Necesaria al acoplarse a
módulos fotovoltaicos, a
menos de que se incluya
almacén térmico
(materiales PCM). Vida
útil limitada.
(Aste et al., 2017a)
No se acopla fácilmente
debido que utiliza paneles
térmicos principalmente.
(Aste et al., 2017a)
No se acopla fácilmente
debido que utiliza paneles
térmicos principalmente.
(Aste et al., 2017a)
Inclusión posible con una
duración de 2 a 5 años. El
costo representaría el
30% del costo del
dispositivo.
(Aste et al., 2017a)
En soluciones
fotovoltaicas tienen una
duración de 2 a 5 años
(Aste et al., 2017a).
Vida Útil
Entre 15 y 30 años (en
condiciones de
funcionamiento óptimas)
(SET4food, 2014)
Promedio de 15 años
(Barbieri et al., 2015)
Promedio de 25 años
(Barbieri et al., 2015)
No se encuentra
información sobre esta
variable.
2 a 5 años dura la batería
para aplicaciones con
celdas fotovoltaicas
(Aste et al., 2017a)
Fuente: Elaboración propia con base en referencias bibliográficas indicadas dentro de la tabla.
91
4.4. Análisis competitivo entre las tecnologías de refrigeración
El despliegue de la función de calidad QFD es utilizado para realizar el análisis competitivo entre las
tecnologías de refrigeración. A continuación, se resume el proceso realizado para el proceso de
aplicación de la Casa de la Calidad:
Paso 1: Identificar los requerimientos del cliente. Para este paso se definieron las necesidades
de los clientes (usuarios de las ZNI) determinadas a partir de la consulta bibliográfica realizada. Los
requisitos del cliente se observan en la Tabla 11.
Tabla 11. Requerimientos de los usuarios de las ZNI para el dispositivo de refrigeración.
1- Refrigeración de frutas y verduras
2- Refrigeración de carnes
3- Refrigeración de vacunas
4- Bajo consumo energético
5- Alto ciclo de vida
6- Bajo impacto ambiental
7- Bajo costo
8- Bajo requerimiento de mantenimiento
9- Suministro energético no convencional
Fuente: Elaboración propia
Paso 2: Elaborar la lista de requisitos técnicos que proporcionan las bases para el diseño del
producto. Los requisitos técnicos traducen las necesidades de los clientes a un lenguaje claro para
el diseñador o el ingeniero encargado de su producción; explican cómo se va a responder ante los
requisitos del cliente, por lo tanto, deben ser medibles para poder ser comparables con el objetivo.
En este paso también se identifica cual es la intensidad de la relación de cada requisito técnico con
los demás, para identificar cuáles son los requisitos técnicos que se ven afectados por el cambio de
otro de ellos. En la Figura 26, en donde se muestra la Casa de la Calidad se observa el desarrollo de
este paso (techo de la casa). La Tabla 12 contiene los requisitos técnicos explicados previamente en
la sección 4.2, con su respectiva unidad de medida.
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
92
Tabla 12. Requisitos técnicos para el dispositivo de refrigeración.
Requisito técnico Métrica Unidad de medida
Rango de temperatura del dispositivo Temperatura °C
Dependencia sobre factores de suministro
externos
Tiempo Días
Almacén de energía Binaría Binaria (SI, NO)
Confiabilidad Cantidad Número de Partes
móviles
Versatilidad: temperatura y tamaños Temperatura - Volumen °C y 𝑚𝟑
Espacio requerido Volumen 𝑚3
Volumen de refrigeración Volumen 𝑚3
Adaptabilidad a fuentes no convencionales de
energía
Binaria Binario (SI, NO)
Vida útil Tiempo Años
Costo de compra Unidades monetarias COP
Eficiencia energética Adimensional COP
Nivel de emisión de CO2 Masa/Energía 𝐶𝑂2/𝑀𝑤ℎ
Precisión de temperatura Adimensional 𝑇𝑒𝑚𝑝. 𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑎
𝑇𝑒𝑚𝑝. 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎
Desarrollo tecnológico (trayectoria) Binaria Binario (SI, NO)
Fuente: Elaboración propia
Paso 3: Desarrollar una matriz de relación entre los requisitos del cliente y los requisitos
técnicos. Se realiza esta matriz de relaciones con el fin de visualizar si los requisitos técnicos
pueden satisfacer los requisitos del cliente. En la Figura 26 se observa el desarrollo de este paso
según una evaluación de relaciones débiles, moderadas y fuertes.
Paso 4: Evaluar los productos competidores. Para el caso de la matriz se realizó la comparación
de las diferentes tecnologías de refrigeración con posibilidad de ser aplicadas en las ZNI, esto con el
fin de identificar sus fortalezas y debilidades. Por lo general este paso se aplica para realizar mejoras
en la planeación del diseño del producto, en este caso se utilizó como método comparativo. En la
Figura 26 se observa el desarrollo de este paso, en donde se desarrolla una puntuación de 1 a 5
para cada tecnología (donde 5 es el mejor puntaje), según cada uno de los requerimientos de los
usuarios, considerando las variables técnicas involucradas.
93
Paso 5: Seleccionar los requisitos técnicos para desplegarlos en el proceso de diseño. A
través de la calificación de la importancia de cada requisito del cliente y su relación con cada uno de
los requisitos técnicos, se identificaron los factores técnicos que representan mayor importancia para
satisfacer los requisitos del cliente; estos son los atributos más importantes a tener en cuenta para el
desarrollo del producto. En la Figura 26 se observa el desarrollo de este paso, que deja como
resultado que los principales requisitos técnicos son en su orden de importancia: adaptabilidad a
fuentes no convencionales de energía, volumen de refrigeración, confiabilidad, versatilidad:
temperatura y tamaños, y rango de temperatura del dispositivo.
La Figura 26 representa el desarrollo del análisis competitivo entre las alternativas de refrigeración a
través de la metodología de la Casa de la Calidad; en ella se pueden visualizar como ya se
mencionó, que hay requisitos técnicos fundamentales para el desarrollo del producto, pero también
hay otros que podrían ser considerados como requisitos que no tienen el mismo nivel de influencia
en el diseño debido al bajo puntaje obtenido, y que por lo tanto pasan a un segundo plano de
importancia; estos requisitos son el espacio requerido, el nivel de emisión de CO2 y el costo, que a
pesar de que se podría pensar que por las bajas condiciones socioeconómicas de las ZNI, este
debería ser un requisito restrictivo, sin embargo de acuerdo con el análisis, es mucho más
importante cumplir otros requerimientos de mayor relevancia, lo cual se entiendo teniendo en cuenta
que usualmente en los lugares objetivo del proyecto se utilizan soluciones de bajo costo, pero con
repercusiones negativas a largo plazo como por ejemplo la ineficiencia, la contaminación, la baja
confiabilidad y el bajo ciclo de vida de los productos.
Se puede analizar que existen pocas correlaciones negativas entre cada uno de los requerimientos
funcionales del producto; el primer caso es el del almacén de energía con la confiabilidad, ya que al
estar esta última directamente asociada con la cantidad de partes móviles y el requerimiento de
mantenimiento del dispositivo un componente adicional podría afectar este requisito. En segundo
lugar, se encuentra la correlación negativa entre el almacén de energía y el espacio requerido; al
incorporar un componente adicional es posible que se requiera mayor espacio para ubicar el
dispositivo en la zona de uso y por lo tanto influir negativamente en el aumento de los requisitos que
posibilitan la facilidad para la ubicación final y/o el transporte del dispositivo. Finalmente, se
correlacionan negativamente el hecho de que un mayor volumen de refrigeración implica un mayor
espacio requerido para ubicar el dispositivo.
Para el caso de las correlaciones positivas, en primer lugar, está el rango de temperaturas del
dispositivo con la versatilidad de temperaturas y tamaños, ya que entre más amplios son los rangos
de temperatura que puede alcanzar el dispositivo mayor será su versatilidad para diferentes usos
según requerimiento de temperatura. La siguiente correlación positiva es la autonomía frente a
factores de suministro externos con el almacén de energía, ya que, si a la tecnología se incorporan
baterías de almacenamiento, esta brindara soporte al dispositivo cuando el suministro energético
disminuya y por lo tanto será mayor su capacidad de continuar con el proceso de enfriamiento aun
cuando las condiciones del entorno se modifiquen en determinados periodos de tiempo. La
correlación positiva entre la adaptabilidad a fuentes no convencionales de energía y el costo se
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
94
justifica en que en el largo plazo la implementación de tecnologías alternativas contribuye a la
disminución de los costos de los procesos. Por último, la adaptabilidad a fuentes no convencionales
de energía y el nivel de emisión de 𝐶𝑂2 se asocian en el sentido de que en la medida en que se
promueva el uso de FNCE se lograrán disminuir las emisiones de 𝐶𝑂2, teniendo en ambas variables
una contribución importante en la disminución del impacto ambiental del dispositivo.
95
Figura 26. Aplicación de la Casa De La Calidad para el análisis de las tecnologías de refrigeración. Fuente: Elaboración propia
Caracteristicas de
calidad:
Requerimientos
funcionales
Requerimientos
del cliente 1 2 3 4 5
11,9 5,0 5 5 4 3 31
11,9 5,0 5 5 4 3 50,9
11,9 5,0 4 4 3 5 30,8
7,1 3,0 4 3 2 1 10,7
9,5 4,0 4 3 5 1 10,6
7,1 3,0 3 3 3 4 10,5
9,5 4,0 5 4 5 4 10,4
9,5 4,0 3 4 5 5 10,3
11,9 5,0 3 5 5 3 1 0,1
Convenciones
Aplicación QFD dispositivos de
refrigeración para ZNI
Θ Relación Fuerte 9
▲ Relación débil 1
Ο Relación Moderada 3
┼┼ Fuerte correlación positiva
┼
▼
Correlación positiva
▬ Correlación negativa
Fuerte correlación negativa
El objetivo es maximizar
▼ El objetivo es minimizar
x
▲
El objetivo es cumplir
┼ ┼
┼
▬
Número de columna 1 2 3 4 11 12 13 149 10
┼ ▬ ▬
Minimizar (▼), Maximizar (▲),
Objetivo (x)▲ x ▲ ▲
5 6 7 8
▲ ▲ x x Análisis competitivo (0=Peor, 5=Mejor)▲ ▲ ▲ x x ▼
Vers
atilid
ad:
tem
pera
tura
y t
am
años.
Espacio
requerido
Volu
men d
e r
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Adapta
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Peso
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Peso
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positiv
o
Auto
nom
ía f
rente
a f
acto
res d
e
sum
inis
tro e
xte
rnos
Chart
Axis
Valu
es
Refrigeración de frutas y verduras Θ Ο ▲ Θ Θ Θ
Refr
igera
dor
por
com
pre
sió
n
Refr
igera
dor
por
absorc
ión
Refr
igera
dor
por
adsorc
ión
Refr
igera
dor
Term
oelé
ctr
ico
Refr
igera
dor
por
Stirlin
g
Cic
lo d
e v
ida
Costo
Eficie
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energ
ética
Niv
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pera
tura
Desarr
ollo
tecnoló
gic
o (
trayecto
ria)
Alm
acén d
e e
nerg
ía
Confiabili
dad
Refrigeración de carnes Θ Θ Ο Θ Θ Θ Θ
▲
Ο
Refrigeración de vacunas Θ Θ Ο Θ Θ Θ Θ
Bajo consumo energético Ο Ο Θ Ο
Θ
Θ
Θ ▲ Ο
Bajo impacto ambiental Ο Θ
▲
Ο Θ
Alto ciclo de vida
Bajo costo Ο Ο Θ ▲
Bajo requerimiento de mantenimiento ▲ Θ
Ο Θ Ο Ο
▲ Ο
Suministro energético no convencional Θ Ο Ο
Peso Relativo 10,2 7,5 3,7 12,7 10,4 0,9 14,1 15,6 3,7 2,6 4,5 2,1 4,6 3,7
Refrigerador por
compresión
Refrigerador por absorción
Refrigerador por adsorción
Refrigerador Termoeléctrico
Refrigerador por Stirling
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
96
4.5. Selección de la tecnología de refrigeración
El proceso de análisis jerárquico de decisión se emplea a continuación para la selección de la
tecnología más adecuada de refrigeración con FNCE para las ZNI, según el análisis competitivo
realizado en la Casa de la Calidad. A continuación, se expone el proceso realizado, teniendo en
cuenta una escala de preferencias utilizadas para realizar las comparaciones entre las tecnologías
(ver Tabla 13):
Tabla 13. Escala de preferencias entre dos aspectos – Análisis Jerárquico de decisión.
Diferencia de la importancia según QFD
Planteamiento verbal de la preferencia Calificación numérica
Diferencia de 0 Opciones comparadas igualmente preferibles
1
Diferencia de 1 La opción mayor es moderadamente preferible
3
Deferencia de 2 La opción mayor es fuertemente preferible
5
Diferencia de 3 La opción mayor es muy fuertemente preferible
7
Diferencia de 4 La opción mayor es extremadamente preferible
9
Fuente: Elaboración propia.
Para ejemplificar el uso de la Tabla 13, si se tuviesen que relacionar las necesidades de los usuarios
de bajo costo y bajo consumo energético, los cuales según el QFD tienen un peso o importancia de
4 y 3 respectivamente, con una diferencia equivalente a 1, la tabla indica que el bajo costo es
moderadamente preferible al bajo consumo energético, con una calificación numérica de 3. El
sentido de la relación es importante en el análisis de la calificación numérica, por tanto, si la relación
fuera el bajo consumo energético frente al bajo costo, la calificación numérica sería de 1/3
(equivalente a 0,33). En la Tabla 14 se establece la matriz de comparación entre los criterios de
decisión, en este caso los diferentes requerimientos de los usuarios.
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
97
Tabla 14. Matriz de comparación entre los criterios de decisión (requerimientos de los usuarios), teniendo en cuenta el peso o importancia según QFD.
Fuente: Elaboración propia.
En la Tabla 15 se realiza la normalización de la matriz de la Tabla 14 utilizando el valor suma en esta
tabla (normalización de forma vertical). Por ejemplo, para normalizar la comparación entre el bajo
consumo energético y la refrigeración de frutas y verduras, los cuales tienen una relación numérica
de 0,20, en una columna cuya suma equivale a 5,4, la valoración numérica normalizada es igual a
0,20/5,4, lo cual equivale a 0,04. La suma por filas en la Tabla 15 genera el vector de peso relativo
entre las necesidades de los usuarios, el cual es necesario en el cálculo final del Análisis Jerárquico
de Decisión.
5 5 5 3 4 3 4 4 5
Criterios de desición
Ref
riger
ació
n d
e fr
uta
s y v
erdura
s
Ref
riger
ació
n d
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Ref
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Sum
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ner
gét
ico n
o c
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cional
5 Refrigeración de frutas y verduras 1 1 1 5 3 5 3 3 1
5 Refrigeración de carnes 1 1 1 5 3 5 3 3 1
5 Refrigeración de vacunas 1 1 1 5 3 5 3 3 1
3 Bajo consumo energético 0,20 0,20 0,20 1,00 0,33 1,00 0,33 0,33 0,20
4 Alto ciclo de vida 0,33 0,33 0,33 3 1 3 1 1 0,33
3 Bajo impacto ambiental 0,20 0,20 0,20 1,00 0,33 1,00 0,33 0,33 0,20
4 Bajo costo 0,33 0,33 0,33 3 1 3 1 1 0,33
4 Bajo requerimiento de mantenimiento 0,33 0,33 0,33 3 1 3 1 1 0,33
5 Suministro energético no convencional 1 1 1 5 3 5 3 3 1
Suma 5,4 5,4 5,4 31 15,7 31 15,7 15,7 5,4
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
98
Tabla 15. Normalización de la matriz de comparación entre los criterios de decisión.
Fuente: Elaboración propia.
De la misma manera en que se compararon los criterios de decisión (necesidades de los usuarios)
se compararon cada una de las tecnologías alternativas, utilizando un criterio a la vez. Por ejemplo,
utilizando el criterio de refrigeración de frutas y verduras se tiene un análisis competitivo según el
QFD entre la refrigeración por compresión, absorción, adsorción, termoeléctrica y Stirling, de 5, 5, 4,
3 y 3, respectivamente, por tanto, estos serían los valores a partir de los cuales de procedería con la
comparación. En cada caso se realiza tanto la comparación entre los valores obtenidos de las
tecnologías en un determinado criterio, como la normalización de los resultados en la matriz y la
determinación del peso relativo. Para disminuir la carga visual de las matrices se enunciarán las
tecnologías según se muestra en la Tabla 16.
Matriz Normalizada-Criterios de desición
Ref
rig
erac
ión
de
fru
tas
y v
erd
ura
s
Ref
rig
erac
ión
de
carn
es
Ref
rig
erac
ión
de
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s
Baj
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gét
ico
no c
on
ven
cio
nal
Pes
os
rela
tiv
os
Refrigeración de frutas y verduras 0,19 0,19 0,19 0,16 0,19 0,16 0,19 0,19 0,19 0,18
Refrigeración de carnes 0,19 0,19 0,19 0,16 0,19 0,16 0,19 0,19 0,19 0,18
Refrigeración de vacunas 0,19 0,19 0,19 0,16 0,19 0,16 0,19 0,19 0,19 0,18
Bajo consumo energético 0,04 0,04 0,04 0,03 0,02 0,03 0,02 0,02 0,04 0,03
Alto ciclo de vida 0,06 0,06 0,06 0,1 0,06 0,1 0,06 0,06 0,06 0,07
Bajo impacto ambiental 0,04 0,04 0,04 0,03 0,02 0,03 0,02 0,02 0,04 0,03
Bajo costo 0,06 0,06 0,06 0,1 0,06 0,1 0,06 0,06 0,06 0,07
Bajo requerimiento de mantenimiento 0,06 0,06 0,06 0,1 0,06 0,1 0,06 0,06 0,06 0,07
Suministro energético no convencional 0,19 0,19 0,19 0,16 0,19 0,16 0,19 0,19 0,19 0,18
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
99
Tabla 16. Representación simbólica de las tecnologías en matrices de comparación.
Tecnología Representación Simbólica
Refrigerador por compresión A1
Refrigerador por absorción A2
Refrigerador por adsorción A3
Refrigerador termoeléctrico A4
Refrigerador por Stirling A5
Fuente: Elaboración propia
Los cálculos de comparación y normalización teniendo en cuenta cada criterio, se muestran en:
Tabla 17, Tabla 18, Tabla 19, Tabla 20, Tabla 21, Tabla 22, Tabla 23, Tabla 24 y Tabla 25.
Tabla 17. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de refrigeración de frutas y
verduras.
Fuente: Elaboración propia
Tabla 18. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de refrigeración de carnes.
Fuente: Elaboración propia
5 5 4 3 3
A1 A2 A3 A4 A5 A1 A2 A3 A4 A5
5 A1 1 1 3 5 5 0,37 0,37 0,39 0,33 0,33 0,36
5 A2 1 1 3 5 5 0,37 0,37 0,39 0,33 0,33 0,36
4 A3 0,33 0,33 1 3 3 0,12 0,12 0,13 0,2 0,2 0,15
3 A4 0,20 0,20 0,33 1 1 0,07 0,07 0,04 0,07 0,07 0,06
3 A5 0,2 0,2 0,33 1 1 0,07 0,07 0,04 0,07 0,07 0,06
Suma 2,73 2,73 7,67 15 15
Matriz Normalizada Peso
Relativo
Refrigeración de
frutas y verduras
5 5 4 3 5
A1 A2 A3 A4 A5 A1 A2 A3 A4 A5
5 A1 1 1 3 5 1 0,28 0,28 0,29 0,26 0,28 0,28
5 A2 1 1 3 5 1 0,28 0,28 0,29 0,26 0,28 0,28
4 A3 0,33 0,33 1 3 0,33 0,09 0,09 0,1 0,16 0,09 0,11
3 A4 0,20 0,20 0,33 1 0,20 0,06 0,06 0,03 0,05 0,06 0,05
5 A5 1 1 3 5 1 0,28 0,28 0,29 0,26 0,28 0,28
Suma 3,53 3,53 10,3 19 3,53
Peso
Relativo
Matriz NormalizadaRefrigeración de
carnes
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
100
Tabla 19. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de refrigeración de vacunas.
Fuente: Elaboración propia
Tabla 20. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de bajo consumo energético.
Fuente: elaboración propia
Tabla 21. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de alto ciclo de vida.
Fuente: Elaboración propia
4 4 3 5 3
A1 A2 A3 A4 A5 A1 A2 A3 A4 A5
4 A1 1 1 3 0,33 3 0,18 0,18 0,23 0,16 0,23 0,20
4 A2 1 1 3 0,33 3 0,18 0,18 0,23 0,16 0,23 0,20
3 A3 0,33 0,33 1 0,2 1 0,06 0,06 0,08 0,1 0,08 0,07
5 A4 3 3 5 1 5 0,53 0,53 0,38 0,48 0,38 0,46
3 A5 0,33 0,33 1 0,2 1 0,06 0,06 0,08 0,1 0,08 0,07
Suma 5,67 5,67 13 2,07 13
Refrigeración de
vacunas e insumos
Matriz Normalizada Peso
Relativo
4 3 2 1 1
A1 A2 A3 A4 A5 A1 A2 A3 A4 A5
4 A1 1 3 5 7 7 0,55 0,63 0,52 0,41 0,41 0,50
3 A2 0,33 1 3 5 5 0,18 0,21 0,31 0,29 0,29 0,26
2 A3 0,2 0,33 1 3 3 0,11 0,07 0,1 0,18 0,18 0,13
1 A4 0,14 0,20 0,33 1 1 0,08 0,04 0,03 0,06 0,06 0,05
1 A5 0,14 0,2 0,33 1 1 0,08 0,04 0,03 0,06 0,06 0,05
Suma 1,82 4,73 9,67 17 17
Peso
Relativo
Matriz NormalizadaBajo consumo
energético
4 3 5 1 1
A1 A2 A3 A4 A5 A1 A2 A3 A4 A5
4 A1 1 3 0,33 7 7 0,22 0,32 0,19 0,3 0,3 0,27
3 A2 0,33 1 0,2 5 5 0,07 0,11 0,11 0,22 0,22 0,15
5 A3 3 5 1 9 9 0,65 0,53 0,57 0,39 0,39 0,51
1 A4 0,14 0,20 0,11 1 1 0,03 0,02 0,06 0,04 0,04 0,04
1 A5 0,14 0,2 0,11 1 1 0,03 0,02 0,06 0,04 0,04 0,04
Suma 4,62 9,4 1,76 23 23
Peso
Relativo
Matriz NormalizadaAlto ciclo de vida
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
101
Tabla 22. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de bajo impacto ambiental.
Fuente: Elaboración propia
Tabla 23. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de bajo costo.
Fuente: Elaboración propia
Tabla 24. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de bajo requerimiento de
mantenimiento.
Fuente: Elaboración propia
Tabla 25. Matriz de comparación entre las tecnologías según el criterio de suministro energético no
convencional.
Fuente: Elaboración propia
3 3 3 4 1
A1 A2 A3 A4 A5 A1 A2 A3 A4 A5
3 A1 1 1 1 0,33 5 0,16 0,16 0,16 0,16 0,22 0,17
3 A2 1 1 1 0,33 5 0,16 0,16 0,16 0,16 0,22 0,17
3 A3 1 1 1 0,33 5 0,16 0,16 0,16 0,16 0,22 0,17
4 A4 3 3 3 1 7 0,48 0,48 0,48 0,47 0,3 0,44
1 A5 0,2 0,2 0,2 0,14 1 0,03 0,03 0,03 0,07 0,04 0,04
Suma 6,2 6,2 6,2 2,14 23
Peso
Relativo
Matriz NormalizadaBajo impacto
ambiental
5 4 5 4 1
A1 A2 A3 A4 A5 A1 A2 A3 A4 A5
5 A1 1 3 1 3 9 0,36 0,37 0,36 0,37 0,27 0,35
4 A2 0,33 1 0,33 1 7 0,12 0,12 0,12 0,12 0,21 0,14
5 A3 1 3 1 3 9 0,36 0,37 0,36 0,37 0,27 0,35
4 A4 0,33 1 0,33 1 7 0,12 0,12 0,12 0,12 0,21 0,14
1 A5 0,11 0,14 0,11 0,14 1 0,04 0,02 0,04 0,02 0,03 0,03
Suma 2,78 8,14 2,78 8,14 33
Peso
Relativo
Matriz NormalizadaBajo costo
3 4 5 5 1
A1 A2 A3 A4 A5 A1 A2 A3 A4 A5
3 A1 1 0,33 0,2 0,2 5 0,07 0,04 0,08 0,08 0,16 0,09
4 A2 3 1,00 0,33 0,33 7 0,21 0,13 0,13 0,13 0,23 0,16
5 A3 5 3 1 1 9 0,35 0,4 0,38 0,38 0,29 0,36
5 A4 5 3 1 1 9 0,35 0,4 0,38 0,38 0,29 0,36
1 A5 0,2 0,14 0,11 0,11 1 0,01 0,02 0,04 0,04 0,03 0,03
Suma 14,2 7,48 2,64 2,64 31
Peso
Relativo
Matriz NormalizadaBajo requerimiento
de mantenimiento
3 5 5 3 1
A1 A2 A3 A4 A5 A1 A2 A3 A4 A5
3 A1 1 0,2 0,2 1 5 0,08 0,08 0,08 0,08 0,17 0,10
5 A2 5 1 1 5 9 0,41 0,4 0,4 0,41 0,31 0,39
5 A3 5 1 1 5 9 0,41 0,4 0,4 0,41 0,31 0,39
3 A4 1 0,20 0,20 1 5 0,08 0,08 0,08 0,08 0,17 0,10
1 A5 0,2 0,11 0,11 0,2 1 0,02 0,04 0,04 0,02 0,03 0,03
Suma 12,2 2,51 2,51 12,2 29
Peso
Relativo
Matriz NormalizadaSuministro energético
no convencional
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
102
Finalmente, teniendo en cuenta los pesos relativos obtenidos a través de la comparación de criterios
entre las diferentes tecnologías en: Tabla 17, Tabla 18, Tabla 19, Tabla 20, Tabla 21, Tabla 22,
Tabla 23, Tabla 24 y Tabla 25, y el vector de peso relativo entre los criterios de decisión obtenido en
la Tabla 15, se obtuvieron los resultados finales para cada tecnología con la sumatoria de las
multiplicaciones entre los pesos relativos de cada criterio (según el vector de la Tabla 15), y cada
uno de los pesos relativos en cada criterio para cada tecnología (ver Tabla 26). La validación de
consistencia de cada una de las matrices se encuentra en el Anexo 14. Relación de consistencia de
las matrices del análisis jerárquico de decisión).
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
103
Tabla 26. Resultados finales sobre la comparación competitiva entre las tecnologías de refrigeración según el Análisis Jerárquico de Decisión.
Fuente: elaboración propia.
Según la Tabla 26 se concluye que la opción que más se ajusta a los requerimientos de los usuarios
de las ZNI es la alternativa 2, correspondiente a los dispositivos de refrigeración por absorción. Es
evidente que dispositivos como el de compresión de vapor y adsorción obtuvieron puntajes cercanos
al máximo equiparando varios de los requisitos que ofrece el dispositivo de absorción, sin embargo,
de acuerdo con los resultados y la literatura disponible, la tecnología de absorción ofrece las mejores
ventajas para zonas no conectadas a la red.
En la Tabla 26 se puede observar que las tres primeras alternativas (compresión de vapor, absorción
y adsorción respectivamente) tienen un porcentaje de selección cercano entre sí. De acuerdo con el
desarrollo de la casa de la calidad se identificó que entre los parámetros técnicos más importantes
para un dispositivo de refrigeración en las ZNI se encuentra en primer lugar la adaptabilidad a
fuentes de energía no convencionales, seguido del volumen de refrigeración, la confiabilidad, la
versatilidad y el rango de temperaturas posibles. La alternativa 3 (A3) se excluye como solución
principal dado que como se mencionó en la Tabla 10, tiene la desventaja de que tiene una menor
potencia de enfriamiento, aspecto que se encuentra entre los factores clave, sin contar que además
tiene mayor consumo energético. Las alternativas A1 y A2 cumplen de manera similar con los
requisitos técnicos del dispositivo, incluso la alternativa de compresión de vapor (A1) que tiene un
menor resultado de acuerdo al análisis jerárquico, tiene como ventaja un bajo consumo energético y
un alto ciclo de vida; sin embargo cumple de manera menos satisfactoria el mantenimiento que
requiere, dada su mayor cantidad de componentes requeridos (que a su vez se asocia con la
diminución de la confiabilidad y la vida útil), y la facilidad para para adaptarse a fuentes de energía
Ref
rig
era
ció
n d
e fr
uta
s y
ver
du
ras
Ref
rig
era
ció
n d
e ca
rnes
Ref
rig
era
ció
n d
e v
acu
na
s
Ba
jo c
on
sum
o e
ner
gét
ico
Alt
o c
iclo
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vid
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Ba
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tal
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to d
e m
an
ten
imie
nto
Su
min
istr
o e
ner
gét
ico
no
co
nv
enci
on
al
Resultados
A1 0,36 0,28 0,2 0,5 0,27 0,17 0,35 0,09 0,1 24%
A2 0,36 0,28 0,2 0,26 0,15 0,17 0,14 0,16 0,39 27%
A3 0,15 0,11 0,07 0,13 0,51 0,17 0,35 0,36 0,39 23%
A4 0,06 0,05 0,46 0,05 0,04 0,44 0,14 0,36 0,1 18%
A5 0,06 0,28 0,07 0,05 0,04 0,04 0,03 0,03 0,03 9%
Peso relativo criterios 0,18 0,18 0,18 0,03 0,07 0,03 0,07 0,07 0,18
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
104
no convencionales; factores que son más relevantes según el análisis y que cumple de mejor
manera la alternativa de refrigeración por absorción.
En conclusión, debido a que previamente en la casa de la calidad, se identificaron aquellos
parámetros clave para definir la tecnología de refrigeración más adecuada para las ZNI, se logró
determinar que la segunda alternativa (refrigeración por absorción) cumple de mejor manera con los
requisitos de los habitantes de las ZNI y por este motivo se profundiza a continuación sobre una
propuesta base en el desarrollo de prototipos utilizando esta tecnología en las ZNI.
4.6. Caracterización básica de funcionamiento del dispositivo de
refrigeración
Para el desarrollo del prediseño del dispositivo de refrigeración por absorción debe definirse en
primer lugar el tipo de ciclo con el que trabajará. Los ciclos de absorción se dividen en continuos e
intermitentes, según lo cual al ser continuo tendría un funcionamiento simultáneo en los procesos de
generación y absorción, en un tiempo menor a las 24 horas diarias, mientras que, en un ciclo
intermitente, ambos procesos tienen lugar en tiempos diferentes, empleando 24 horas al día. En un
ciclo continuo se requeriría de una bomba de fluido con cierta necesidad de energía eléctrica (Sarbu
& Sebarchievici, 2015a) mientras que en un ciclo intermitente no es necesario (ahorro de energía),
por lo cual, para el presente diseño se tendrá presente un ciclo de absorción intermitente, el cual
únicamente requiere de la energía térmica proveniente del colector solar.
El ciclo tendrá un proceso de generación que se realizará aprovechando la luz solar del día (un
periodo de alrededor de 8 horas, entre las 09:00 am y las 5:00 pm) mientras que el proceso de
absorción se realizará en el tiempo restante (16 horas).
La Figura 27 muestra el ciclo de refrigeración por absorción siguiendo un funcionamiento
intermitente a partir del cual funcionaría el dispositivo de refrigeración, teniendo en cuenta cada uno
de los componentes descritos:
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
105
Figura 27. Esquema del ciclo de refrigeración por absorción intermitente para el diseño del dispositivo.
Fuente: elaboración propia
Siguiendo el esquema de la Figura 27 se definen las siguientes etapas del ciclo de absorción
intermitente:
Etapa 1 – Generación de refrigerante: Teniendo una solución química concentrada en el tanque de
almacenamiento, que incluye un fluido absorbente y un refrigerante, se realiza una transferencia de
calor de entrada desde el colector solar, lo cual aumenta la temperatura y la presión interna en el
tanque disminuyendo la capacidad de absorción del fluido absorbente, liberando fluido refrigerante
en forma de gas hacia el condensador y a su vez disminuyendo la concentración de refrigerante en
la solución del tanque. Para esta etapa se requiere que la válvula número 1 se encuentre abierta y
que la válvula de expansión y la válvula de paso número 2 se encuentren cerradas; también se
requiere del funcionamiento del colector solar por lo cual es ideal que el proceso se genere en un
horario diurno, estimado entre las 09:00 horas y las 17:00 horas (8 horas).
Etapa 2 – Refrigeración y absorción: Se cierra la válvula número 1 y se abren la válvula número 2
y la válvula de expansión, lo cual permite que el refrigerante pase del condensador, donde libera
calor al ambiente, hasta la válvula de expansión, la cual se encarga de regular su paso
disminuyendo su presión y temperatura según la necesidad de enfriamiento en la cámara frigorífica.
Luego de ello entra en el evaporador recibiendo el calor de la cámara frigorífica, aumentando su
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
106
temperatura y cumpliendo con el objetivo de refrigeración en la cámara. Posteriormente retorna al
tanque de almacenamiento en donde sería absorbido por el agua en la solución con débil
concentración, iniciando un proceso exotérmico que liberaría calor a través de las paredes del
tanque y comprimiría el refrigerante, generando de nuevo una solución concentrada. Este proceso
se realizaría en un tiempo alterno a la etapa número 1, por lo cual se desarrollaría entre las 17:00 y
las 09:00 horas (16 horas).
Se utilizará un fluido secundario que cubra la cámara frigorífica y que pueda congelarse hasta cierta
temperatura (para que actué como inercia térmica) tal que se encargue de mantener constante la
temperatura interna de la cámara durante el periodo de tiempo en el cual el ciclo deja de refrigerar
(Etapa 1), recibiendo el calor que pasa a través de las paredes. Una opción factible es emplear agua
como fluido secundario. Los componentes principales que requiere dicho ciclo se representan en la
Figura 28.
1. Puerta. 2. Pared externa. 3. Tanque. 4. Válvulas de paso. 5. Estructura que sostiene
el tanque. 6. Condensador.
7. Evaporador. 8. Válvula de expansión
Figura 28. Esquema de componentes del sistema intermitente de refrigeración por absorción.
Fuente: Elaboración propia empleando SolidWorks.
En el capítulo 4.8.7 se incluye un plano con las dimensiones aproximadas del dispositivo según los
cálculos realizados y la validación de los mismo (capítulos 4.8, 4.9 y 4.10).
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
107
4.7. Proceso de diseño para la definición de parámetros
Según el ciclo descrito en la sección 4.6, se definen a continuación los parámetros de diseño
siguiendo principalmente las ecuaciones de cálculo para un ciclo de absorción intermitente definidas
por Boas (Boas Richard, 2004). Se define en primer lugar la carga total de enfriamiento
(𝑄𝑇) equivalente al calor que el sistema debe retirar de la cámara frigorífica para cumplir con el
objetivo de refrigeración. Según Boas (Boas Richard, 2004), la carga total de enfriamiento se define
según la ecuación [5], con la sumatoria de la carga del producto a enfriar (𝑄𝑖) , la ganancia de calor
por paredes (𝑄𝑃) y la carga de calor de un fluido secundario (𝑄𝑓𝑠) .
𝑄𝑇 = 𝑄𝑖 + 𝑄�� + 𝑄𝑓𝑠
[5]
La carga del producto a enfriar 𝑄𝑖 puede medirse según el calor que debe retirarse en una
determinada carga de producto. Para establecer una medición determinada se puede definir el calor
que debería retirarse sobre una carga de agua líquida para refrigerarla a un estado sólido, en cuyo
caso la carga del producto a enfriar se mediría según la ecuación [6] la cual considera el calor
sensible al llevar la carga (de masa 𝑚) de una temperatura inicial 𝑇𝑜 a una temperatura de fusión
𝑇𝑓𝑢𝑠𝑖ó𝑛 (con un calor específico 𝐶𝑝1), el calor latente para el cambio de fase (con un calor latente de
fusión 𝐶𝑓) y el calor sensible al llevar la carga de una temperatura 𝑇𝑓𝑢𝑠𝑖ó𝑛 a una temperatura de
almacenamiento 𝑇𝑎𝑙𝑚 (con un calor específico 𝐶𝑝2):
𝑄𝑖 = 𝑚 ∗ 𝐶𝑝1 ∗ (𝑇𝑜 − 𝑇𝑓𝑢𝑠𝑖ó𝑛) + 𝑚 ∗ 𝐶𝑓 + 𝑚 ∗ 𝐶𝑝2 ∗ (𝑇𝑓𝑢𝑠𝑖ó𝑛 − 𝑇𝑎𝑙𝑚) [6]
La ganancia de calor por paredes (𝑄𝑝 ) puede establecerse según Boas (Boas Richard, 2004) a
partir de la ecuación [7], teniendo en cuenta el espesor de la pared de enfriamiento (𝑒), la
conductividad del material aislante (𝑘), el área de transferencia de calor correspondiente al área de
cada una de las paredes (𝐴𝑠) y el coeficiente de convección exterior de la cámara frigorífica (ℎ𝑒).
𝑄�� =
𝑇0 − 𝑇𝑎𝑙𝑚𝑒
𝑘∙𝐴𝑠+
1
ℎ𝑒∙𝐴𝑠
[7]
Estableciendo agua como fluido secundario para mantener constante la temperatura en la cámara
frigorífica en el tiempo en el que el dispositivo deja de retirar calor (etapa 1), la masa de fluido
secundario (𝑚s) puede calcularse según la ecuación [8] teniendo en cuenta el calor total que se
recibiría de las paredes de la cámara de enfriamiento durante dicho periodo de tiempo (8 horas) y el
calor específico (𝐶𝑝) a una temperatura media (𝑇𝑚) entre la temperatura ambiente y la temperatura
de refrigeración[(𝑇0 − 𝑇𝑎𝑙𝑚)/2], siendo esta una estimación más cercana teniendo en cuenta que
el fluido secundario debería mantenerse en un rango de temperatura ∆𝑇 sin tener realmente que
llegar hasta la temperatura ambiente (Boas Richard, 2004):
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
108
𝑚𝑠 =
𝑄𝑝
𝐶𝑝 ∗ ∆𝑇 [8]
De la ecuación de calor sensible, se define según la ecuación [9] el calor que recibe el fluido
secundario 𝑄𝑓𝑠 para mantener constante la temperatura interna en la cámara de enfriamiento.
𝑄𝑓𝑠 = 𝑚s ∗ 𝐶𝑝 ∗ (𝑇𝑚 − 𝑇𝑎𝑙𝑚)
[9]
Una vez calculados 𝑄𝑖 ,𝑄�� y 𝑄𝑓𝑠
, es posible calcular 𝑄�� .
Otro aspecto importante es determinar el calor del generador (��𝐺) a partir del cual se suministra
energía al par de trabajo (energía recolectada en el colector solar), separando el fluido refrigerante
del fluido absorbente, dadas las características del par de trabajo de perder capacidad de absorción
con el aumento de temperatura. Al iniciar el proceso de generación el par de trabajo se encuentra en
su mayor estado de concentración, mientras que al finalizar la solución se encuentra en un estado
débil de concentración de refrigerante. El calor del generador se establece según Boas (Boas
Richard, 2004), a partir de la ecuación [10], la cual se halla teniendo en cuenta el balance de materia
y energía en el generador, donde la suma del calor del generador y el calor de la solución
concentrada, equivaldrían a la suma del calor de la solución al salir en concentración débil más el
calor del refrigerante:
��𝐺 = ��𝐷𝑅 ∙ ℎ𝐷𝑅 + ��𝐷𝐴 ∙ ℎ𝐷𝐴 + ��𝑅 ∙ ℎ𝑅 − ��𝐶𝑅 ∙ ℎ𝐶𝑅 − ��𝐶𝐴 ∙ ℎ𝐶𝐴 [10]
Donde:
��𝐷𝑅: Flujo másico del refrigerante en solución de concentración débil.
ℎ𝐷𝑅 : Entalpia del refrigerante en solución de concentración débil
��𝐷𝐴: Flujo másico del agua en solución de concentración débil.
ℎ𝐷𝐴: Entalpia del agua en solución de concentración débil
��𝑅 : Flujo másico del refrigerante.
ℎ𝑅 : Entalpia del refrigerante.
��𝐶𝑅: Flujo másico del refrigerante en solución concentrada.
ℎ𝐶𝑅 : Entalpia del refrigerante en solución concentrada
��𝐶𝐴: Flujo másico del agua en solución concentrada.
ℎ𝐶𝐴: Entalpia del agua en solución concentrada
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
109
Los flujos másicos descritos del agua y del refrigerante en cada caso (solución concentrada y débil)
se definen según su relación con los porcentajes de concentración 𝑋𝐷𝑤 (porcentaje de masa de
refrigerante en la solución con concentración débil) y 𝑋𝐶𝑤 (porcentaje de masa de refrigerante en la
solución concentrada), según se muestra en las ecuaciones [11], [12], [13] y [14], donde ��𝐷 y ��𝐶
equivalen a flujo másico de la solución con concentración débil y concentrada, respectivamente
��𝐷𝑅 = 𝑋𝐷𝑤 ∙ ��𝐷 [11]
��𝐷𝐴 = (1 − 𝑋𝐷𝑤) ∙ ��𝐷 [12]
��𝐶𝑅 = 𝑋𝐶𝑤 ∙ ��𝐶 [13]
��𝐶𝐴 = (1 − 𝑋𝐶𝑤) ∙ ��𝐶 [14]
Según Boas (Boas Richard, 2004) ��𝐷 y ��𝐶 se pueden calcular según las ecuaciones [15] y [16],
definidas a partir del balance de materia de los fluidos refrigerante y absorbente:
��𝐷 =
(1 − 𝑋𝐶𝑤) ∙ ��𝑅
𝑋𝐶𝑤 − 𝑋𝐷𝑤 [15]
��𝐶 =
(1 − 𝑋𝐷𝑤) ∙ ��𝑅
𝑋𝐶𝑤 − 𝑋𝐷𝑤 [16]
Para determinar el flujo másico del fluido refrigerante en el sistema (��𝑅) se deben tener presentes
la carga total del equipo (definida 𝑄��) y las entalpias de vapor y líquido saturados del refrigerante
(ℎ𝑒𝑣𝑎𝑝 𝑦 ℎ𝑐𝑜𝑛𝑑), a una presión de saturación definida según la necesidad de refrigeración, tal
como se observa en la ecuación [17] (Boas Richard, 2004):
��𝑅 =𝑄��
ℎ𝑒𝑣𝑎𝑝 − ℎ𝑐𝑜𝑛𝑑 [17]
El cálculo del paso de las concentraciones molares de refrigerante en las solución débil y
concentrada (𝑋𝐷𝑀 y 𝑋𝐶𝑀, respectivamente) a las concentraciones o porcentajes de masa
respectivos (𝑋𝐷𝑤 y 𝑋𝐶𝑤), los cuales pueden establecerse según las ecuaciones [18] y [19](Boas
Richard, 2004).
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
110
𝑋𝐷𝑤 =
17 ∙ 𝑋𝐷𝑀
17 ∙ 𝑋𝐷𝑀 + 18 ∙ (1 − 𝑋𝐷𝑀) [18]
𝑋𝐶𝑤 =
17 ∙ 𝑋𝐶𝑀
17 ∙ 𝑋𝐶𝑀 + 18 ∙ (1 − 𝑋𝐶𝑀) [19]
Se requiere calcular el volumen de la solución para determinar el tamaño del tanque de
almacenamiento en donde se desarrollarían las operaciones unitarias de generación de refrigerante
y absorción, así como una aproximación de los requerimientos de tubería en el dispositivo. Para ello
es necesario estimar en primer lugar la densidad volumétrica de la solución (ecuación [20]), teniendo
en cuenta la densidad volumétrica del refrigerante (𝑉𝐿𝑅) y la del agua (𝑉𝐿𝐴) a temperatura
ambiente (Boas Richard, 2004). La ecuación [21] establece el volumen 𝑉 de la solución (equivalente
al volumen requerido del tanque) teniendo en cuenta un tiempo 𝑡 de acumulación en el proceso.
𝑉𝑠𝑜𝑙 = 0,85 ∗ 𝑋𝐶𝑊 ∗ 𝑉𝐿𝑅 + (1 − 𝑋𝐶𝑊) ∗ 𝑉𝐿𝐴 [20]
𝑉 = ��𝐶 ∗ 𝑉𝑠𝑜𝑙 ∗ 𝑡 [21]
Es posible determinar una aproximación sobre la necesidad de área del colector solar (𝐴𝐶)
requerido para el funcionamiento del dispositivo de absorción, es cual según Boas (Boas Richard,
2004), implica determinar el calor requerido en el proceso de generación y la ganancia de energía
útil del colector solar (ecuación [22]). El calor requerido para el proceso de generación no solo
debería considerar el calor 𝑄𝐺 de generación, sino también el calor que se pierde en el tanque a
través de las paredes (𝑄𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒), por lo cual se tiene en consideración:
𝐴𝐶 =
𝑄𝑅𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜
𝑄Ú𝑡𝑖𝑙
=𝑄𝐺 + 𝑄𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒
𝑄Ú𝑡𝑖𝑙
[22]
El calor que se pierde a través de las paredes del tanque puede determinarse según la ecuación [23]
teniendo en cuenta la diferencia entre la temperatura exterior del dispositivo (𝑇𝐸𝑥) y la temperatura
ambiente (𝑇0), asumiendo que el calor que se pierde a través de las paredes por conducción es
equivalente al calor que se transmite al ambiente por convección (Boas Richard, 2004), por lo cual
se tiene en cuenta el coeficiente de convección del material de las paredes (ℎ𝑒) así como el área de
las mismas (2 ∗ 𝜋 ∗ 𝑟𝑒𝑥𝑡 ∗ 𝑙 + 2 ∗ 𝜋 ∗ 𝑟𝑒𝑥𝑡2):
𝑄𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 =
𝑇𝐸𝑥 − 𝑇01
ℎ𝑒∗[(2∗𝜋∗𝑟𝑒𝑥𝑡∗𝑙)+2∗(𝜋∗𝑟𝑒𝑥𝑡2)
[23]
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
111
Teniendo en cuenta la utilización de un colector solar de placa plana, usualmente empleados en
ciclos de simple efecto (Allouhi et al., 2015), el calor útil (𝑄Ú𝑡𝑖𝑙), podría aproximarse al calor
incidente en un determinado lugar según la irradiación del sitio y el tiempo de recolección (periodo
de funcionamiento) tal como se observa en la ecuación [24], donde además se tiene en cuenta un
factor de corrección 𝛼 (Boas Richard, 2004). Sin embargo, para tener una aproximación más real,
se deberían tener en cuenta las pérdidas de calor en el colector por convección, radiación y
conducción, representadas en un coeficiente global de pérdidas de calor 𝑈𝐿 el cual tendría presente
la diferencia de temperatura de la solución en el proceso de generación (equivalente a la
temperatura de generación de refrigerante) y la temperatura ambiente (Boas Richard, 2004). La
ecuación [25] estima el calor útil del colector teniendo presente un factor de evacuación de calor
característico en un determinado colector solar (𝑓𝑟𝑐).
𝑄𝐼𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 =
𝐼𝑛𝑠𝑜𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜
𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜𝑑𝑒𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜∗ 𝛼 [24]
𝑄Ú𝑡𝑖𝑙 = 𝑓𝑟𝑐 ∗ [𝑄𝐼𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 − [𝑈𝐿 ∗ (𝑇𝑆𝑜𝑙 − 𝑇0)]] [25]
Una vez determinados 𝑄𝑅𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 y 𝑄Ú𝑡𝑖𝑙 es posible determinar una aproximación sobre el área del
colector según la ecuación [22].
La eficiencia energética del dispositivo(𝐶𝑂𝑃) debe considerar el calor absorbido por el refrigerante
en la caja de enfriamiento, el cual está representado por 𝑄𝑖 y el calor que ingresa para impulsar el
ciclo de refrigeración específicamente en el proceso de generación, el cual está representado por
𝑄𝐺(Boas Richard, 2004). La ecuación [26] representa el cálculo estimado del COP para el ciclo de
refrigeración por absorción:
𝐶𝑂𝑃 =
𝑄𝑖
𝑄𝐺 [26]
4.8. Cálculo de parámetros
Para el desarrollo de los parámetros de diseño del refrigerador por absorción solar se establecen los
siguientes parámetros de entrada:
• Cámara frigorífica cúbica con 40 cm de lado (64.000 𝑐𝑚3 = 64 𝑙). Con estas dimensiones
se podrían almacenar un promedio aproximado de productos según se muestra en la Tabla
27 en la cual las dimensiones del pescado se toman teniendo en cuenta las proporciones
promedio del pez Tilapia (Pino, 2013), una de las especies piscícolas más cultivadas en
Colombia (Parrado, 2012); las dimensiones de la carne se establecieron con el promedio
establecido por Torres et. al. en muestras de 20 g de carne fresca y congelada de diferentes
partes de vacuno, pollo, cerdo y pavo (Torres & Barat, 2011); para determinar la unidad de
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
112
medida para la capacidad de almacenamiento de frutas y verduras se toman como
referencia las dimensiones del tomate siendo esta una hortaliza muy común en el consumo
a su vez con una de las mayores pérdidas postcosecha (Pinzón, Cardozo, & Portilla, 2012);
para la estimación en almacenamiento de vacunas y fármacos se utilizan las dimensiones
de una dosis en un empaque cilíndrico de 40 𝑐𝑚2. La capacidad de almacenamiento es
una medida considerada como parámetro de entrada aceptable, sin embargo, puede verse
como una variable que puede aumentarse para lo cual se debería tener en consideración
que, según la revisión bibliográfica, a mayores volúmenes de almacenamiento se requieren
mayores áreas en los colectores solares (N’Tsoukpoe et al., 2014) lo que a su vez
aumentaría el costo del dispositivo.
Tabla 27. Capacidad de almacenamiento de algunos productos básicos, en una cámara de 64 l
Producto Dimensiones por unidad
(alto x ancho x largo) [cm]
Capacidad de
almacenamiento aproximada
Pescado 3 x 11 x 26 68 unidades
Carne (20 g) 4 x 3 x 1 106 kg
Tomate 5,5 x 5,1 x 7,1 316 unidades
Dosis de vacunas 10 x 2 x 2 1.600 dosis
Fuente: Elaboración propia con base en referencias bibliográficas.
• El espesor de la pared de la cámara frigorífica (𝑒) será de 15 𝑐𝑚 de tal forma que la carga
de enfriamiento en la cámara frigorífica se encuentre los suficientemente aislada de la
temperatura exterior. Se toma como referencia el espesor en otros prototipos propuestos
(Boas Richard, 2004).
• Temperatura mínima de enfriamiento (temperatura de almacenamiento): -18 °C. Se
establece debido a que es la menor temperatura requerida dentro del rango de productos
que requieren refrigeración en las ZNI, equivalente a la temperatura de refrigeración del
pescado, un producto de gran acogida en especial en la zona del pacífico, donde se
concentra gran parte de la población en ZNI.
• Carga de enfriamiento: 5 kg de 𝐻2𝑂. Esta carga se toma como referencia para establecer la
carga térmica máxima que el ciclo debería ser capaz de refrigerar dentro de la cámara
frigorífica. Previo a realizar la estimación de la carga, se realizaron cálculos en los que se
identificó que mayores cargas implican el uso de colectores solares de grandes
dimensiones, lo cual puede observarse en la Figura 30 de la sección 4.9 (Análisis de
sensibilidad).
• Durante el proceso de generación (etapa 1) realizado durante el día, se utilizará agua como
fluido secundario para recubrir la cámara frigorífica y mantener constante la temperatura
interna de refrigeración bajo un diferencial límite máximo establecido, el cual puede
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
113
estimarse según las diferencias entre los límites máximos y mínimos en los rangos de
temperaturas óptimas para los alimentos descritos en la Tabla 4 el cual es en promedio de
3,5 °C. Por ello se establece un diferencial máximo permitido de 3 °C con respecto a la
temperatura deseada de refrigeración.
• Utilización del par de trabajo amoniaco – agua (𝑁𝐻3 − 𝐻2𝑂), siendo el agua la solución
absorbente y el amoniaco el refrigerante, debido a que es el par de trabajo más práctico en
aplicaciones que requieren temperaturas por debajo de los 0 °C (Ibarra & Platzer, 2017)
• Según Boas et. al. (2004) el proceso de absorción solo ocurre en condiciones en las cuales
la temperatura del proceso es superior a la temperatura ambiente promedio, la cual
equivaldría a la temperatura promedio nocturna (etapa 2) ya que de esta forma se permitiría
la disipación de calor durante la reacción. Teniendo una temperatura promedio de 20 °C
(Caicedo & Daniel, 2012), se establece adecuada una temperatura 𝑇1 para el proceso de
absorción de 24 °C (75,2 °F).
• De acuerdo con Boas et. al. (2004) para lograr el proceso de condensación la temperatura
𝑇2 debe ser superior a la temperatura ambiente ya que de esta forma se lograría la
disipación de calor. Debido a que este proceso ocurre durante el día se asume una
temperatura de condensación del refrigerante 𝑇2 equivalente a 30 °C (86 °F) siendo esta
una temperatura superior a la temperatura ambiente de los departamentos pertenecientes a
las ZNI (IDEAM, 2018a).
• Tal como se describió en la sección 3.3.2.1 (Refrigeración por absorción), aunque existen
variedad de tipos de colectores solares, cada uno de ellos es adecuado para un dispositivo
en particular dependiendo del número de efectos en el ciclo de absorción. Debido a que el
presente ciclo es de simple efecto resulta adecuada la utilización de un colector solar de
placa plana, el cual funciona bajo temperaturas relativamente bajas (Allouhi et al., 2015),
con una temperatura máxima 𝑇3 de 80 °C (176 °F) equivalente al aproximado común entre
este tipo de colectores (Grossman, 2002). Un colector solar tiene como ventaja ser de fácil
acceso para uso comercial y doméstico, este funciona con el fin de convertir la energía solar
en térmica a través del calentamiento de un fluido, comúnmente agua (Fudholi & Sopian,
2019); el colector solar de placa plana, usualmente empleado para la refrigeración por
absorción, básicamente se compone de una cubierta transparente que permite el paso de la
radiación solar, una placa absorbente de la energía térmica, y un aislamiento en la parte
inferior y en los lados.
Los siguientes son los supuestos de entrada para algunos parámetros de cálculo:
• Aumento estimado de la carga de enfriamiento por pérdidas en apertura de la puerta del
dispositivo: 10% basado en diseños de prototipos similares (Boas Richard, 2004).
• Coeficiente de convección exterior de la cámara frigorífica equivalente al coeficiente típico
de convección libre máxima en gases igual a ℎ𝑒 = 2𝑊
𝑚2 °𝐾 (I. Martinez, 1992).
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
114
Las siguientes son variables que afectan el diseño de un refrigerador por absorción y que dependen
de la zona geográfica. Para el desarrollo demostrativo de los cálculos se utilizarán los valores
correspondientes al departamento del Chocó (posteriormente se especificará el cambio de los
parámetros generados según las variaciones por departamento):
• Temperatura promedio del clima (𝑇0): 26,60 °C (IDEAM, 2018a)
• Nivel de Irradiación: 4 𝑘𝑊
𝑚2 𝑑𝑖𝑎 (IDEAM, 2018a)
4.8.1. Cálculo de la carga total de enfriamiento
Para la determinación de la carga total de enfriamiento se debe calcular la carga del producto a
enfriar(𝑄𝑖 ), la ganancia de calor por paredes(𝑄𝑝
) y la carga de calor del fluido secundario (𝑄𝑓𝑠 )
según la ecuación [5]. Para la determinación de la carga del producto a enfriar se considera una
masa de agua de 5 kg a temperatura ambiente (26,60 °C) la cual se lleva a la temperatura de
refrigeración deseada (-18 °C). Esto implica el retiro de calor sensible de 26,60 °C (300,01 ° K) a 0
°C (273,5 °K), así como de calor latente de fusión (cambio de fase) y el calor sensible de 0°C a -18
°C (255,5 °K). El calor específico del agua 𝐶𝑝1 a 26 °C es de 4180 J/kg*°K, el calor específico
𝐶𝑝2 del agua congelada es de 2050 J/kg*°K (ver Anexo 17. Calor específico de diferentes
sustancias) y el calor latente 𝐶𝑓 de fusión es de 334.000 J/kg (ver Anexo 18. Punto de fusión y
ebullición para varias sustancias). La ecuación [27] determina 𝑄𝑖 utilizando la ecuación [5]:
𝑄𝑖 = 5 𝑘𝑔 ∗ 4180
𝐽
𝑘𝑔 °𝐾∗ (300,01 °𝐾 − 273,5 °𝐾) + 5 𝑘𝑔
∗ 334.000 𝐽
𝐾𝑔+ 5 𝑘𝑔 ∗ 2050
𝐽
𝑘𝑔 °𝐾
∗ (273,5 °𝐾 − 255,5 °𝐾)
[27]
𝑄𝑖 = 2′410.440 𝐽 = 669,57 𝑊ℎ [28]
Teniendo en cuenta un periodo de trabajo del dispositivo de 8 horas al día en el proceso de
generación, se tiene entonces una carga 𝑄𝑖 de 83,70 W, tal como se muestra en la ecuación [29]:
𝑄𝑖
=669,57 𝑊ℎ
8 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠= 83,70𝑊 [29]
El cálculo de la ganancia de calor a través las paredes (𝑄𝑝 ) tiene en cuenta el calor a través de
cada una de las seis caras de la cámara de refrigeración. Se determina la utilización de poliestireno compacto como material de aislamiento debido a su baja conductividad térmica 𝑘 equivalente a un
promedio de 0,02588 W/m*°K (Khoukhi, 2018). Para la determinación de 𝑄�� se emplea la ecuación
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
115
[7], teniendo una temperatura ambiente 𝑇0 de 300,10 °𝐾, una temperatura de almacenamiento 𝑇𝐴𝑙𝑚 de 255,5 °𝐾, un espesor 𝑒 de la pared equivalente a 15 cm, el área de transferencia de calor
(área de la pared) 𝐴𝑠 de 0,16 𝑚2 en cada cara de la cámara de refrigeración y el coeficiente de
convección exterior estimado ℎ𝑒es en 2 𝑊/𝑚2°𝐾 (I. Martinez, 1992). La ecuación [30]
muestra el cálculo de 𝑄�� en total, teniendo en cuenta las 6 caras de la cámara frigorífica:
𝑄�� =300,10 °𝐾 − 255,5 °𝐾
0,15 𝑚
0,02588 𝑊
𝑚 °𝐾 ∙0,16𝑚2
+1
2𝑊
𝑚2 °𝐾∙0,16𝑚2
∗ 6 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑𝑒𝑠 [30]
𝑄�� = 6,80 𝑊 [31]
Para el cálculo de la carga de calor del fluido secundario, teniendo en cuenta que se emplea agua
para recubrir la cámara frigorífica y mantener constante la temperatura interna en las 8 horas
restantes en las que el dispositivo deja de retirar el calor en el proceso de generación (etapa 1), se
tiene presente, según la ecuación [9], una temperatura media (𝑇𝑚) equivalente a 277,80 °K [(𝑇0 −
𝑇𝑎𝑙𝑚)/2]. Según el cálculo del calor transmitido por las paredes, el calor que el fluido secundario
debería absorber en 8 horas se muestra en la ecuación [32]:
𝑄𝑝 = 6,80 𝑊 ∗ 8 ℎ = 54,41 𝑊ℎ = 195.855 𝐽 [32]
La masa necesaria de fluido secundario se calcula en la ecuación [33], según la ecuación [8],
teniendo un calor específico del agua a 277,80 °K (4,3 °C) de 4206,7 [J/kg °K] (Anexo 16. Calor
específico del agua), y estableciendo un rango de tolerancia de diferencia de temperatura de 3°:
𝑚 =
195.855 𝐽
4206,7𝐽
𝑘𝑔 °𝐾∗ 3°
= 15,52 𝑘𝑔𝑑𝑒𝐻2𝑂 [33]
Por tanto, el calor que recibe el fluido secundario, según la ecuación [9], equivaldría a 50,55 W
(ecuación [34]), teniendo en cuenta el periodo de 8 horas de la etapa 1 en la cual cumple su función
como receptor de la energía ambiente:
𝑄𝑓𝑠 = 15,52 𝑘𝑔 ∗ 4206,7
𝐽
𝑘𝑔 °𝐾∗ (277,8 °𝐾 − 255,5 °𝐾) = 1455,86 𝑘𝐽 [34]
𝑄𝑓𝑠
=1455,86 𝑘𝐽
8 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 ∗ 3.600 𝑠= 50,55 𝑊 [35]
De acuerdo con la ecuación [5] la carga total de enfriamiento equivaldría a 141,05 W (ecuación [36]),
sin embargo resulta apropiado tener en cuenta un ajuste del 10% por cambios de temperatura
interna (pérdida de enfriamiento) a causa de la apertura de la puerta, por lo cual 𝑄𝑇 tendría un valor
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
116
aproximado de 155,15 W (ecuación [37]), es decir, esta sería la carga que el dispositivo debe ser
capaz de retirar para cumplir con el objetivo de refrigeración.
𝑄𝑇 = 83,70 𝑊 + 6,80 𝑊 + 50,55 𝑊 = 141,05 𝑊 [36]
𝑄𝑇 = 141,05 𝑊 ∗ 1,1 = 155,15 𝑊 = 558,55 [
𝑘𝐽
ℎ]
[37]
4.8.2. Calor de generación
Para determinar el calor necesario para la generación de amoniaco a partir de la solución
concentrada según la ecuación [10] se utilizan las temperaturas de evaporación y condensación del
refrigerante saturado para así mismo establecer las entalpías asociadas y por consiguiente el flujo
másico del refrigerante (ecuación [17]). En primer lugar, teniendo en cuenta que se busca que la
carga de enfriamiento llegue a -18 °C, la temperatura del refrigerante debe llegar a un valor
aproximado de -20 °C; es decir, a esta temperatura debería descender el refrigerante luego de salir
del condensador, entrando al evaporador, teniendo en cuenta una válvula de expansión intermedia
que separa las zonas de alta y baja presión, en el condensador y el refrigerador respectivamente,
disminuyendo la temperatura del refrigerante. A – 20 °C se tiene una entalpia en el vapor saturado
de 1437,68 kJ/kg y una entalpia en el líquido saturado de 108,55 kJ/kg (Anexo 19. Propiedades del
refrigerante amoniaco), por tanto, según la ecuación [17], el flujo másico de refrigerante es de 0,420
kg/h (ecuación [38]).
��𝑅 =558,55
𝑘𝐽
ℎ
1437,68 𝑘𝐽
𝐾𝑔− 108,55
𝑘𝐽
𝐾𝑔
= 0,420𝑘𝑔
ℎ
[38]
El fluido refrigerante podrá pasar del evaporador al tanque (para iniciar el proceso de absorción)
hasta llegar a un punto en el que ambas presiones se igualen; teniendo una temperatura de -20 °C,
esta presión (𝑃1) equivaldría a 190,08 kPa (27,57 psi) (Anexo 20. Diagrama de presión vs
temperatura en solución acuosa de amoniaco). A esta presión máxima en el proceso de absorción
iniciaría el proceso de generación. Teniendo en cuenta que el proceso de absorción lleva a cabo una
reacción exotérmica (Boas Richard, 2004), se debe establecer una temperatura para el proceso
mayor a la temperatura ambiente, tal que pueda disiparse el calor correspondiente. Ya que el
proceso de absorción se realiza en las noches, no es necesario que dicha temperatura resulte muy
elevada; para este caso se establecerá una temperatura de absorción 𝑇1 de 24 °C (75,2 °F).
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
117
Conociendo 𝑃1 y 𝑇1 es posible determinar la concentración con la cual la solución inicia el proceso
de generación. Según la carta de amoniaco-agua (Anexo 20. Diagrama de presión vs temperatura
en solución acuosa de amoniaco) en el dicho porcentaje sería de 40% de concentración molar
(𝑋𝐶𝑀), el cual sería el valor máximo de concentración en el ciclo ya que en el generador empezaría
a evaporarse el amoniaco.
Una vez inicia el proceso de generación en la solución concentrada, aumentará la temperatura
gracias al calor recibido por el colector solar. Esta temperatura deberá llegar a un punto de
condensación acorde al proceso de condensación posterior, en donde la temperatura sea mayor a la
temperatura ambiente, tal que se pueda disipar el calor del refrigerante sobrecalentado. Se estima
una temperatura 𝑇2 de condensación equivalente a los 30 °C (86 °F). Por tanto, una vez la solución
en el generador llegue a esta temperatura deberá iniciar un proceso isobárico alcanzando la
temperatura máxima de funcionamiento colector 𝑇3, la cual se estima en 80 °C (176 °F) según el
funcionamiento típico de un colector de placa plana (Grossman, 2002). La carta de amoniaco (Anexo
20) agua muestra que, siguiendo la línea de concentración molar hasta llegar a la temperatura de
condensación de 86 °F, se alcanza una presión 𝑃2 de 241 kPa (35 psi), luego de la cual, siguiendo
la línea de presión constante, al alcanzar la temperatura máxima del colector de 176 °F, el
porcentaje de concentración molar disminuye hasta llegar a un 17% (𝑋𝐷𝑀). Una vez la solución
llegue a este punto de concentración más débil (habiendo liberado la mayor cantidad de refrigerante
al condensador), disipará el calor disminuyendo en presión y temperatura hasta alcanzar la
temperatura de absorción 𝑇1 (24 °C /75,2 °F), a la cual, siguiendo la línea de concentración molar de
17%, corresponde una presión 𝑃3 de aproximadamente 4,2 psi (28,96kPa) según el Anexo 20.
Las ecuaciones [39] y [41] establecen las concentraciones de masa en la solución con concentración
débil y concentrada, respectivamente, teniendo en cuenta las concentraciones molares 𝑋𝐷𝑀 (17%) y
𝑋𝐶𝑀 (40%) determinadas anteriormente:
𝑋𝐷𝑤 =
17 ∙ 0,17
17 ∙ 0,17 + 18 ∙ (1 − 0,17) [39]
𝑋𝐷𝑤 = 16,21 % [40]
𝑋𝐶𝑤 =
17 ∙ 0,40
17 ∙ 0,40 + 18 ∙ (1 − 0,40) [41]
𝑋𝐶𝑤 = 38,64 % [42]
Las ecuaciones [43] y [44] establecen los flujos másicos de las soluciones con concentración débil y
concentrada, según se establece en las ecuaciones [15] y [16]:
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
118
��𝐷 =(1 − 38,64) ∙ 0,420
𝑘𝑔
ℎ
0,3864 − 0,1621= 1,15
𝑘𝑔
ℎ [43]
��𝐶 =(1 − 0,1621) ∙ 0,420
𝑘𝑔
ℎ
0,3864 − 0,1621= 1,57
𝑘𝑔
ℎ [44]
Los flujos másicos del refrigerante y del agua para las soluciones de concentración débil y
concentrada se calculan en las ecuaciones [45], [46], [47] y [48] según las ecuaciones [11], [12], [13]
y [14]:
��𝐷𝑅 = 0,1621 ∗ 1,15
𝑘𝑔
ℎ= 0,186
𝑘𝑔
ℎ [45]
��𝐷𝐴 = (1 − 0,1621) ∗ 1,15
𝑘𝑔
ℎ= 0,963
𝑘𝑔
ℎ [46]
��𝐶𝑅 = 0,3864 ∙ 1,57
𝑘𝑔
ℎ= 0,607
𝑘𝑔
ℎ [47]
��𝐶𝐴 = (1 − 0,3864) ∙ 1,57
𝑘𝑔
ℎ= 0,963
𝑘𝑔
ℎ [48]
La Tabla 28 relaciona las entalpias correspondientes del agua y del amoniaco, en cada caso según
el Anexo 15. Propiedades del agua y el Anexo 19. Propiedades del refrigerante amoniaco:
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
119
Tabla 28. Entalpias asociadas a los diferentes estados del refrigerante y el agua en el sistema.
Nomenclatura de la entalpia Temperatura Entalpia
ℎ𝐷𝑅
(refrigerante en solución débil)
80 °C 600,34 kJ/kg
ℎ𝐷𝐴
(agua en solución débil)
80 °C 334,91 kJ/kg
ℎ𝑅
(refrigerante)
80 °C 1474,32 kJ/kg
ℎ𝐶𝑅
(refrigerante en solución concentrada)
24 °C 312,87 kJ/kg
ℎ𝐶𝐴
(agua en solución concentrada)
24 °C 100,70 kJ/kg
Fuente: Anexo 15. Propiedades del agua y el Anexo 19. Propiedades del refrigerante amoniaco
La ecuación [49] calcula el calor del generador teniendo en cuenta la ecuación [10] y las entalpias
asociadas en la Tabla 28:
��𝐺 = 0,186
𝑘𝑔
ℎ∙ 600,34
𝑘𝐽
𝑘𝑔+ 0,963
𝑘𝑔
ℎ∙ 334,91
𝑘𝐽
𝑘𝑔+ 0,420
𝑘𝑔
ℎ
∙ 1474,32𝑘𝐽
𝑘𝑔− 0,607
𝑘𝑔
ℎ∙ 312,87
𝑘𝐽
𝑘𝑔− 0,963
𝑘𝑔
ℎ
∙ 100,70𝑘𝐽
𝑘𝑔
[49]
��𝐺 = 767,29
𝑘𝐽
ℎ= 213,14 𝑊 [50]
4.8.3. Volumen del tanque de almacenamiento
El volumen del tanque de almacenamiento de la solución se calcula a partir de la cantidad de
solución concentrada requerida en el ciclo, ya que esta contiene las necesidades de refrigerante y
agua requeridas. Para calcular el volumen de la solución concentrada se determina en primer lugar
su densidad volumétrica (𝑉𝑠𝑜𝑙) siguiendo la ecuación [20], donde la densidad volumétrica del
refrigerante amoniaco (𝑉𝐿𝑅) equivale a 0,00166306 𝑚3
𝑘𝑔y la densidad volumétrica del agua es de
0,00100301 𝑚3
𝑘𝑔 a temperatura ambiente. Según la ecuación [51], 𝑉𝑠𝑜𝑙 equivale a 0,001161
𝑚3
𝑘𝑔.
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
120
𝑉𝑠𝑜𝑙 = 0,85 ∗ 0,3864 ∗ 0,00166306
𝑚3
𝑘𝑔+ (1 − 0,3864)
∗ 0,00100301 𝑚3
𝑘𝑔= 0,001162
𝑚3
𝑘𝑔
[51]
Siguiendo la ecuación [21], el volumen de la solución (𝑉), y así mismo del tanque de
almacenamiento, equivale a aproximadamente 30 litros (ecuación [53]) teniendo presente un tiempo
de trabajo de 16 horas de acumulación en el proceso de absorción (etapa 2):
𝑉 = ��𝐶 ∗ 𝑉𝑠𝑜𝑙 ∗ 16 ℎ = 1,57
𝑘𝑔
ℎ∗ 0,001162
𝑚3
𝑘𝑔∗ 16 ℎ = 0,0292 𝑚3 [52]
𝑉 = 0,0292 𝑚3 ∗
1.000 𝑙
1 𝑚3= 29,2 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 ≈ 30 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 [53]
Partiendo de una forma cilíndrica para el tanque de almacenamiento, una opción factible para el
diseño es una configuración interna con un radio de 17,24 cm y 32,14 cm de alto.
4.8.4. Calor de pérdida en el tanque
El calor que se pierde a través de las paredes del tanque de almacenamiento se define según la
ecuación [25], donde la temperatura en la superficie exterior del dispositivo 𝑇𝐸𝑥 se estima en +1°C
sobre 𝑇𝑜 (27,6 °C = 301,1 °K), mientras que el coeficiente de convección del tanque ℎ𝑒 se estima en
18 𝑊
𝑚2∗°𝐾 teniendo en cuenta el promedio típico de convección libre del aire (Kreith, Bohn, & Manglik,
2012). Considerando las características del volumen del tanque definidas anteriormente, se estima
un radio r exterior del tanque (con un grosor de +3 cm) equivalente a 20,24 cm y un alto 𝑙 del tanque
equivalente a 35,14 cm. Según la ecuación [54] el calor que se pierde a través de las paredes del
tanque de almacenamiento es de 12,6 W:
𝑄𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 =
301,1 °𝐾 − 300,1 °𝐾1
18 𝑊
𝑚2∗°𝐾,∗[(2∗𝜋∗0,2024 𝑚∗0,3514 𝑚)+2∗(𝜋∗(0,2024 𝑚)2)]
= 12,6 𝑊 [54]
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
121
4.8.5. Área del colector solar
Para la determinación del área aproximada requerida para el colector solar se utiliza la ecuación
[22]. Para ello se estima en primer lugar el calor útil (ecuación [56]), teniendo en cuenta un calor
incidente (𝑄𝐼𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒) de 600 𝑊/𝑚2. El calor incidente se calcula según la ecuación [24] a partir
las características de irradiación en el Chocó (aproximadamente 4.000 𝑊ℎ/𝑚2), con un periodo de
máxima irradiación de 6 horas al día y un factor de corrección 𝛼 estimado en 0,9 (ecuación [55]).
𝑄𝐼𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 =4000
𝑊ℎ
𝑚2
6 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠∗ 0,9 = 600
𝑊
𝑚2 [55]
Asumiendo un factor de evacuación de calor 𝑓𝑟𝑐 igual a 1, un coeficiente total de pérdidas de calor
𝑈𝐿 estimado en 8 𝑊
𝑚2°𝐾 (Boas Richard, 2004) y una temperatura para el proceso de generación
(𝑇𝐺𝑒𝑛) ya definida en 80 °C (353°K), el calor útil equivale a 22,8 𝑊/𝑚2 (ecuación [56])
𝑄Ú𝑡𝑖𝑙 = 1 ∗ [600
𝑊
𝑚2− [8
𝑊
𝑚2°𝐾∗ (353,5°𝐾 − 300,1°𝐾 )]] = 172,8
𝑊
𝑚2 [56]
Siguiendo la ecuación [22], el área del colector solar requerida para el dispositivo sería de
aproximadamente de 1,31𝑚2 (ecuación [57]).
𝐴𝐶 =
213,14 𝑊 + 12,62 𝑊
172,8𝑊
𝑚2
= 1,31 𝑚2 [57]
4.8.6. Coeficiente de rendimiento COP
El Coeficiente de Rendimiento Teórico (COP) para los parámetros establecidos se genera según la
ecuación [26] teniendo en presente el calor absorbido 𝑄𝑖 y el calor que ingresa al sistema definido
en 𝑄𝐺. Según la ecuación [58] para este caso, el COP equivale a 0,393.
𝐶𝑂𝑃 =
𝑄𝑖
𝑄𝐺=
83,70 𝑊
213,14 𝑊= 0,3927 [58]
Los parámetros anteriormente definidos serán validados a continuación a través de un análisis de
sensibilidad en el cual se evalúa el comportamiento de las variables más significativas en el modelo
en función de la modificación de otros parámetros o variables. Luego de ello se realiza la prueba del
modelo completo a través de un software de simulación, con lo cual se determinará la exactitud de la
magnitud de cada uno de los parámetros y las modificaciones necesarias.
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
122
4.8.7. Plano del dispositivo
Luego de calcular los parámetros de diseño del dispositivo, en la Figura 29 se muestra el plano con
cada una de las partes que conforman el dispositivo de refrigeración propuesto.
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
123
Figura 29. Plano del refrigerador por absorción propuesto.
Fuente: Elaboración propia
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
124
4.9. Análisis de sensibilidad
A continuación, se desarrolla un análisis de sensibilidad con el objeto de observar el comportamiento
de diferentes variables importantes en el diseño, como lo son el área del colector solar y el
coeficiente de rendimiento (𝐶𝑂𝑃), a favor de una mejor validación y análisis de los parámetros
calculados a partir de la visualización de diferentes escenarios (modificación de variables).
En primer lugar, se analiza el comportamiento del área del colector solar y el coeficiente de
rendimiento en función de la carga de enfriamiento manteniendo constante el espesor de la cámara
de enfriamiento, lo cual se observa en la mayor carga de enfriamiento mayor es el área requerida del
colector solar lo cual se explica considerando que se requiere de mayor suministro de energía. Por
otro lado, el COP también aumenta en la medida en que aumenta dicha carga, con una disminución
tangencial especialmente evidente luego de los 20 kg de carga, al cual equivale una necesidad de 5
𝑚2 en el área del colector solar. Se debe tener presente que a mayor área del colector mayor es el
costo monetario y el espacio requerido para el dispositivo. Considerando una frontera máxima de 1,5
𝑚2 para el área del colector solar resultaría adecuada una carga de enfriamiento de
aproximadamente 5 kg con un COP de 0.39, la cual se tomó como parámetro en los cálculos del
modelo.
Figura 30. Variación del área del colector solar y el coeficiente de rendimiento en función de la carga
de enfriamiento
Fuente: Elaboración propia
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
125
Una variable importante de analizar es el espesor de la cámara frigorífica, debido a que representa
un costo de material (poliestireno compacto) que podría disminuir en influyendo en otras variables
como el área del colector solar. En la Figura 31 se observa el efecto que genera el espesor de la
cámara en el área del colector solar y el 𝐶𝑂𝑃 donde a mayor espesor se logra una mejoría en
ambas variables, ya que el área disminuye y el 𝐶𝑂𝑃 aumenta. Al aumentar el espesor, la ganancia
de calor proveniente del exterior de las paredes es menor, por lo tanto, se reduce la carga total de
enfriamiento y el calor de generación necesario a una proporción que resulta en el aumento del
COP; de igual manera, al disminuir la carga total de enfriamiento, disminuye el calor requerido para
el proceso de generación y por lo tanto el área del colector de suministro. En la línea del área del
colector se observa una disminución tangencial a medida que el espesor aumenta lo cual se
empieza a evidenciar en mayor medida luego de los 10 cm de espesor donde se observa una
tendencia al área del colector de 1 𝑚2. En este sentido aumentar el grosor por encima de los 15 cm
establecidos en el presente diseño no se compensaría notablemente en la disminución del área del
colector. Por otro lado, en la línea del COP, aunque también se tiene una diminución tangencial a
medida que el espesor aumenta, esta se observa menor a la del área del colector. Sin embargo, se
debe tener en consideración que, incluso duplicando el espesor de 15 cm a 30 cm, el COP apenas
aumentaría en alrededor de un 24%. Por tanto, teniendo en cuenta el comportamiento del área del
panel y el COP, un aumento del espesor no parece tener una retribución significativa. Por otro lado,
una disminución del espesor en, por ejemplo, 5 cm, dejaría un espesor de 10 cm con un aumento del
área a 1,5 𝑚2, sin embargo el COP disminuiría por debajo de 0,3 lo cual podría considerarse un
rendimiento demasiado deficiente en comparación con dispositivos de la misma tecnología (López
et al., 2017).
Figura 31. Variación del área del colector solar y el coeficiente de rendimiento en función del espesor de la cámara de enfriamiento.
Fuente: Elaboración propia
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
126
En la Figura 32 se observa la relación entre la masa de fluido secundario y en el volumen del tanque
de refrigerante en la medida en que varía el espesor de la cámara frigorífica. En ambos casos las
curvas tienen una mayor disminución en la tangente, observable especialmente luego de los 10 cm
de espesor lo cual indicaría que un aumento por encima de los 10 cm no traería un beneficio
considerable en la disminución de la masa de fluido secundario y el volumen del tanque. Teniendo
esto presente, junto con el análisis realizado en anteriormente en la Figura 32, se deduce que un
espesor de 15 cm resultaría adecuado en el modelo de diseño.
Figura 32. Variación de la masa de la masa de fluido secundario y en el volumen del tanque de
refrigerante en función del espesor de la cámara frigorífica.
Fuente: Elaboración propia
Si el dispositivo se traslada de una región a otra, modificando la temperatura ambiente y
manteniendo constante el espesor de la cámara frigorífica, para lograr un funcionamiento adecuado
el área del colector solar debería modificarse según se muestra en la Figura 33, donde también se
relaciona la variación en el rendimiento (COP). En la medida en que la temperatura ambiente
aumenta el área del colector solar disminuye, lo cual se explicaría al considerar que el aumento de la
temperatura ambiente aumenta el calor útil 𝑄Ú𝑡𝑖𝑙 del colector solar (ver ecuación [25]) lo cual a su
vez disminuye el requerimiento del área del colector solar (ver ecuación [22]). Con respecto al COP
se observa que este disminuye en función del aumento en la temperatura ambiente lo cual se
relacionaría con el hecho de que se mantiene un espesor constante de la cámara en la medida en
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
127
que aumenta la temperatura circundante lo cual favorecería el ingreso de calor en la cámara a su
vez disminuyendo el rendimiento.
Figura 33. Variación del área del colector solar y el COP en función de la temperatura ambiente
manteniendo el espesor constante
Fuente: Elaboración propia
Si se mantiene constante el área del colector solar y se modifica la temperatura ambiente, se
observaría un requerimiento del espesor de la cámara de enfriamiento según se muestra en la
Figura 34, donde también se relaciona el rendimiento (COP) del sistema. En la medida en que la
temperatura ambiente aumenta el espesor disminuye, lo cual se explica al considerar que a mayor
temperatura mejora el calor útil 𝑄Ú𝑡𝑖𝑙 del colector solar (ver ecuación [25]) lo cual a su vez disminuye
el área del colector solar, es decir, al ser el área del colector un parámetro constante, se obtiene por
consiguiente mayor calor de generación (𝑄𝐺) a la requerida y por consiguiente una disminución del
espesor en la cámara. Se debe tener en cuenta que, aunque el calor útil aumenta, también aumenta
la ganancia de calor en las paredes (𝑄𝑝), con lo cual aumenta la carga total (𝑄𝑇), sin embargo, la
gráfica demuestra que, a pesar de este aumento, es más significativa la proporción que aumenta de
calor útil y por lo tanto el espesor tiende a disminuir con cada aumento de temperatura. Con respecto
al COP se observa que disminuye en función del aumento en la temperatura ambiente lo cual
también se relacionaría con el aumento relativo del calor de generación 𝑄𝐺, ya que este es
inversamente proporcional al COP (ver ecuación [26]).
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
128
Figura 34. Variación del espesor de la cámara de enfriamiento y el COP manteniendo constante el
área del colector solar
Fuente: Elaboración propia
4.10. Simulación del modelo
Para realizar la validación de los parámetros de diseño estimados se emplea el programa Aspen
Hysys V9, un software de simulación de procesos químicos el cual matemáticamente puede modelar
desde operaciones unitarias hasta plantas químicas completas y refinerías.
La Figura 35 muestra el ciclo de refrigeración diseñado en Hysys según el diseño propuesto donde
para cada componente real en el diseño corresponde un componente en la simulación, exceptuando
el tanque de almacenamiento, el cual se divide entre las operaciones unitarias que se realizan en su
interior siendo estas el proceso de generación de amoniaco, la extracción de calor a través de las
paredes para la solución con concentración débil y el proceso de absorción.
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
129
Figura 35. Simulación del ciclo de refrigeración por absorción en Aspen Hysys V9 según diseño
propuesto.
Fuente: Elaboración propia utilizando Aspen Hysys V9.
La Tabla 29 relaciona los componentes empleados en el diseño propuesto con los componentes
utilizados en la simulación ilustrados en la Figura 35:
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
130
Tabla 29. Relación entre los componentes del diseño y los componentes empleados en la
simulación.
Componente en el diseño Nombre del
componente en la simulación
Tipo de componente en la simulación
Conducto de salida de refrigerante desde el tanque de almacenamiento
Vapor Amoniaco 1 Flujo de material
Válvula de salida 1 Válvula 1 Válvula
Conducto de flujo de refrigerante desde la válvula 1 hasta el condensador
Vapor Amoniaco 2 Flujo de material
Condensador Condensador Enfriador por aire
Conducto de flujo de refrigerante desde el condensador hasta la válvula de expansión
Amoniaco Líquido a alta presión
Flujo de material
Válvula de expansión entre el condensador y el evaporador
Válvula de Expansión
Válvula
Conducto de flujo de refrigerante desde la válvula de expansión hasta el evaporador
Amoniaco líquido a baja presión
Flujo de material
Evaporador Evaporador Calentador
Carga total de enfriamiento Carga de
enfriamiento Flujo de energía
Conducto de salida de amoniaco del evaporador Amoniaco Gas 1 Flujo de material
Válvula de salida 2 Válvula 2 Válvula
Conducto de salida entre la válvula 2 y el tanque de almacenamiento
Amoniaco Gas 2 Flujo de material
Absorción en el tanque de almacenamiento Absorbente Mezclador
Generación de solución concentrada en el tanque de almacenamiento
Solución concentrada
Flujo de material
Generación de refrigerante amoniaco en el tanque de almacenamiento
Generador Tanque
Intercambio de calor entre el colector solar y el tanque de almacenamiento
Colector Solar Flujo de energía
Generación de solución con baja concentración
Solución Concentración
Débil Alta Temperatura
Flujo de material
Enfriamiento de solución con concentración débil en el tanque de almacenamiento
Enfriamiento por Paredes
Enfriador por aire
Generación de solución con baja concentración a baja temperatura
Solución Concentración
Débil Baja Temperatura
Flujo de material
Fuente: Elaboración propia
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
131
En la simulación se define la utilización del par de trabajo Amoniaco – Agua (𝑁𝐻3 − 𝐻2𝑂) de
acuerdo con el diseño propuesto, siendo el agua el fluido absorbente y el amoniaco el refrigerante.
La Tabla 30 muestra los parámetros de entrada en la simulación en donde se definen variables
dependientes de factores externos al ciclo como lo es la temperatura ambiente (𝑇0), la temperatura
de almacenamiento (𝑇𝑎𝑙𝑚), la temperatura del proceso de absorción (𝑇1) (la cual se estableció
según la temperatura ambiente tal como se describe en la sección 4.7, la carga total de refrigeración
(𝑄𝑇) la cual depende de los productos que se ingresen la cámara frigorífica, el calor de generación
(𝑄𝐺) el cual se obtiene del colector solar, y el volumen del tanque de almacenamiento (𝑉).
También se definen las variables termodinámicas en una de las líneas de flujo, en donde se escoge
el flujo de solución concentrada, por lo cual se define como entrada su flujo másico y concentración
molar (��𝐶 𝑦 𝑋𝐶𝑀) así como la presión inicial en el proceso de absorción (𝑃3).
Tabla 30. Comparación entre parámetros en el modelo y parámetros de entrada dentro de la simulación.
Parámetro de entrada Valor en el modelo Valor en la
simulación
Ubicación del
parámetro en la
simulación
Temperatura ambiente
(𝑇0) 26,6 °C 26,6 °C
Amoniaco Líquido
a Alta Presión
Temperatura de
almacenamiento (𝑇𝑎𝑙𝑚) -20 °C -20 °C
Amoniaco Líquido
a Baja Presión
Temperatura del proceso
de absorción (𝑇1) 24 °C 24 °C
Solución
Concentrada
Carga total de
refrigeración (𝑄𝑇) 558,55 kJ/h 558,55 kJ/h
Carga de
enfriamiento
Calor de generación
(𝑄𝐺) 767,29 kJ/h 218 kJ/h Colector Solar
Volumen del tanque de
almacenamiento (𝑉) 30 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 30 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 Generador
Flujo másico de la
solución concentrada
(��𝐶)
1,57 kg/h 1,57 kg/h Solución
Concentrada
Concentración molar
(amoniaco) en la solución
concentrada (𝑋𝐶𝑀)
40 % 40 % Solución
Concentrada
Presión inicial en
absorción(𝑃3) 28,96 kPa 28,96 kPa
Solución
Concentrada
Fuente: Elaboración propia.
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
132
Cabe destacar que, siendo la carga total de refrigeración (𝑄𝑇) un parámetro de entrada en la
simulación se asume también como entrada en el sistema cada uno de sus componentes de cálculo
(𝑄𝑖 , 𝑄�� y 𝑄𝑓𝑠
), lo cual incluye la carga de enfriamiento de 5 kg de 𝐻2𝑂, incluida en la carga del
producto a enfriar (𝑄𝑖 ). Otro de los parámetros implícitos en la simulación es la temperatura de
condensación del refrigerante 𝑇2 la cual según el diseño se estableció en 30 °C, tal que la
temperatura fuera mayor a la temperatura ambiente para poder contar con un flujo de calor al
exterior. Esto se observa en la línea de flujo de Amoniaco Líquido a Alta Presión, en la cual se define
como parámetro de entrada con un valor de 26,6 °C, equivalente con la temperatura ambiente (𝑇0).
Se encontró que el parámetro de entrada para el calor de generación 𝑄𝐺 generaba una variación en
el flujo másico de refrigerante ��𝑅 y su temperatura (proceso de generación) en relación con los
valores calculados, así como variaciones en los parámetros posteriores dentro del ciclo de la
simulación. Para un valor 𝑄𝐺 equivalente al valor calculado en el modelo (767,29 kJ/h), el flujo
másico del refrigerante equivale a 0,6485 kg/h con una temperatura máxima de 105 °C. Este no
sería un factor acorde con la realidad ya que un colector solar de placa plana usualmente no
trabajan a temperaturas superiores a los 100 °C (Mendoza, 2017). Por tanto, se estableció 𝑄𝐺
como una variable de entrada (en lugar de un parámetro) ajustándolo en relación con el proceso de
generación de amoniaco, de tal forma que se estableciera el punto en el cual el colector solar logra
una temperatura y un flujo de refrigerante según los cálculos realizados, para una posterior revisión
de la validación matemática en la simulación. Con un flujo de calor en el colector solar 𝑄𝐺 de 218
kJ/h se genera un flujo de refrigerante de 0,4203 kg/h a una temperatura máxima de 85,5 °C, los
cuales son valores muy aproximados a los del diseño propuesto. La Figura 36 muestra los
resultados de la simulación del ciclo de absorción:
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
133
Figura 36. Resultados de la simulación del ciclo de absorción diseñado a través Aspen Hysys V9. Fuente: Elaboración propia utilizando Aspen Hysys V9
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
134
La Tabla 31 muestra las variables en el modelo diseñado en relación con los valores obtenidos
dentro de la simulación, así como su ubicación dentro de los componentes utilizados:
Tabla 31. Comparación entre variables en el modelo y variables de salida en la simulación.
Variable de salida Valor en el
modelo
Valor en la
simulación
Ubicación de la variable en la
simulación
Temperatura máxima en el
generador (𝑇3) (equivalente a la
temperatura máxima en el
colector)
80 °C 88,69 °C Generador
Temperatura máxima en el
refrigerante 80 °C 85,50 °C Vapor Amoniaco 1
Flujo másico del refrigerante
(��𝑅) 0,420 kg/h 0,4203 kg/h Vapor Amoniaco 1
Flujo másico de la solución con
concentración débil (��𝐷) 1,15 kg/h 1,15 kg/h
Solución Concentración Débil
Alta Temperatura
Flujo másico del refrigerante en
solución concentrada (��𝐶𝑅) 0,607 kg/h 0,607 kg/h Solución Concentrada
Flujo másico del agua en solución
concentrada (��𝐶𝐴) 0,963 kg/h 0,963 kg/h Solución Concentrada
Flujo másico del refrigerante en
solución de concentración débil
(��𝐷𝑅)
0,186 kg/h 0,2336 kg/h Solución Concentración Débil
Alta Temperatura
Flujo másico del agua en solución
de concentración débil (��𝐷𝐴) 0,963 kg/h 0,9161 kg/h
Solución Concentración Débil
Alta Temperatura
Concentración másica (amoniaco)
en la solución concentrada (𝑋𝐶𝑤) 38,64 % 38,66 % Solución Concentrada
Concentración molar (amoniaco)
en la solución con concentración
débil (𝑋𝐷𝑀)
17 % 21,25 % Solución Concentración Débil
Alta Temperatura
Concentración másica (amoniaco)
en la solución con concentración
débil (𝑋𝐷𝑤)
16,21 % 20,32 % Solución Concentración Débil
Alta Temperatura
Fuente: Elaboración propia.
Teniendo presente que el calor de generación (𝑄𝐺) depende de las entalpías de los componentes
en el proceso de generación de refrigerante (ver ecuación [10]), se entiende que el resultado de 𝑄𝐺
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
135
en la simulación representa mayor exactitud en la definición de esta magnitud en la medida en que
mide la temperatura de trabajo en el proceso. El valor de 𝑄𝐺 a partir del modelo de ecuaciones se
calcula a partir de temperaturas máximas teóricas (Tabla 28. Entalpias asociadas a los diferentes
estados del refrigerante y el agua en el sistema.), lo cual también es un escenario factible dentro del
ciclo. Para considerar ambos escenarios, se estima que 𝑄𝐺 se aproxima al promedio entre el valor
calculado en el modelo de ecuaciones (213,1 W) y el resultado de la simulación (60,6 W), lo cual
equivale a 492,65 kJ/h (136 W). Según los cálculos estimados para el área del colector solar en la
ecuación [24] a partir de la relación entre 𝑄𝐺 y los valores calculados de 𝑄𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 y 𝑄Ú𝑡𝑖𝑙, el área
del colector equivaldría a 0,86 𝑚2 frente a un área de 1,31 𝑚2 calculada teniendo en consideración
únicamente los resultados teóricos del modelo de ecuaciones. Finalmente, el Coeficiente de
Rendimiento Teórico (𝐶𝑂𝑃) que tiene en cuenta la relación entre 𝑄𝑖 y 𝑄𝐺 (ver ecuación [29])
equivaldría a 0,6116, donde el calor absorbido (𝑄𝑖) es equivalente al valor en el modelo de
ecuaciones, incluido en la simulación al estar contenido en el calor total de refrigeración (𝑄𝑇), el
cual es un parámetro de entrada. El resultado obtenido del 𝐶𝑂𝑃 se encuentra dentro del rango
general para dispositivos de absorción de una fase, el cual es de 0,6 a 0,8 (SET4food, 2014). La Tabla
32 resume las variables modificadas según la simulación en donde se observa que cada una de las
variables se encuentra asociada al calor de generación (𝑄𝐺), teniendo una mayor concentración de
amoniaco en la solución de concentración débil según la simulación.
Tabla 32. Magnitudes finales en variables modificadas según la simulación en Aspen Hysys V9
Variable Magnitud en modelo de
ecuaciones
Magnitud definitiva según
simulación
Calor de generación (𝑄𝐺) 767,29 kJ/h = 213,14 W 492,65 kJ/h = 136 W
Flujo másico del refrigerante en
solución de concentración débil
(��𝐷𝑅)
0,186 kg/h 0,2336 kg/h
Flujo másico del agua en solución
de concentración débil (��𝐷𝐴) 0,963 kg/h 0,9161 kg/h
Concentración molar (amoniaco)
en la solución con concentración
débil (𝑋𝐷𝑀)
17 % 21,25 %
Concentración másica (amoniaco)
en la solución con concentración
débil (𝑋𝐷𝑤)
16,21 % 20,32 %
Área del colector solar 1,31 𝑚2 0,86 𝑚2
Coeficiente de Rendimiento
Teórico (𝐶𝑂𝑃) 0,393 0,612
Fuente: Elaboración propia
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
136
Dentro de los parámetros no calculados en la sección 4.8 y obtenidos a partir de la simulación se
encuentra la caída de presión en la válvula de expansión entre el condensador y el evaporador, el
cual equivale a 235,9 kPa para una temperatura final del amoniaco de -20 °C. Este valor es útil
como referencia para establecer la máxima caída de presión que debería soportar la válvula de
expansión, ya que para casos con temperaturas más elevadas de refrigeración la presión debería
ser menor.
Un resultado particular en la simulación es el aumento de la presión en el tanque de almacenamiento
la cual según advierte el programa llegan a ser de 482,6 kPa lo cual no se contempló dentro de los
cálculos de diseño. Este valor de referencia es útil en la definición del material y el tipo de tanque de
almacenamiento, el cual debería soportar esta presión máxima más un factor de seguridad
adecuado. Esto también indica la necesidad de inclusión de un manómetro de lectura en el tanque.
Comparación de proyectos de refrigeración
4.11. Cálculo del costo y comparación con otros dispositivos
similares
Según los parámetros establecidos para el refrigerador por absorción, se procederá con el cálculo
del costo aproximado del dispositivo a favor de la comparación de este con otras tecnologías
similares, descritas en la sección 3.4. Se empleará el indicador 𝑈 mostrado en la ecuación [59] el
cual tiene en cuenta el precio del dispositivo, el volumen interno de la cámara de refrigeración, la
temperatura ambiente máxima que tolera el diseño (𝑡𝑒𝑚. 𝑎𝑚𝑏. 𝑚𝑎𝑥. ) y la temperatura mínima
de refrigeración (𝑡𝑒𝑚𝑝. 𝑚𝑖𝑛. 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑟. ). En la medida en que el indicador 𝑈 tenga un valor menor,
se entenderá que el dispositivo muestra una mejoría en la relación entre el precio, el volumen y las
temperaturas de trabajo, en comparación con los demás dispositivos.
𝑈 =
𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 ∗ (𝑡𝑒𝑚. 𝑎𝑚𝑏. 𝑚𝑎𝑥. −𝑡𝑒𝑚𝑝. 𝑚𝑖𝑛. 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑟. ) [59]
En la Tabla 37 se muestra el cálculo del costo del dispositivo teniendo en cuenta materia prima, con
un total aproximado de 327 USD (1’045.525 COP). Se observa que los costos de mayor valor
corresponden al polietileno de alta densidad (empleado en el espesor interno de la cámara
frigorífica), el refrigerante amoniaco y el colector solar de placa plana. Tomando el supuesto de que
la materia prima representa un 25% en el precio final del dispositivo, teniendo un restante 75%
distribuido en mano de obra, costos indirectos de fabricación y utilidad, se tendría un precio final
aproximado de 1.308 USD. Se tiene en cuenta un valor de utilidad de tal forma que se pueda realizar
una comparación equitativa con las demás tecnologías ya que estas a su vez cuentan con un valor
comercial.
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
137
Tabla 33. Cálculo aproximado del costo del dispositivo teniendo en cuenta materia prima
Material Utilidad Requerimiento por
unidad de producto
Precio aprox. del
material [COP]
Presentació
n del
material
Costo Total
[COP]
Plástico preformado con
densidad de 1 𝑔/𝑐𝑚3
Recubrimiento interno de la cámara
frigorífica 9.600 𝑐𝑚2 $ 4.5797 1.000 𝑔 $ 43.960
Lámina de acero 1018 Soporte de la estructura de la
cámara frigorífica 9.600 𝑐𝑚2 $ 2.400.0008 420.000 𝑐𝑚2 $ 54.857
Polietileno de alta densidad Espesor de aislamiento de la cámara
frigorífica 168.750 𝑐𝑚3 $ 63.0859
20 𝑚2 x 5
𝑚𝑚 $ 106.456
Lámina de policarbonato Recubrimiento exterior de la cámara
frigorífica 24.500 𝑐𝑚2 $ 104.50010 25.625 𝑐𝑚2 $ 99.912
Rodajas Base de la cámara frigorífica 4 𝑢𝑛𝑑 $ 58.70011 4 𝑢𝑛𝑑 $ 58.700
Pintura para policarbonato Recubrimiento de las superficies de
la cámara 100 𝑚𝑙 $ 73.90012 100 𝑚𝑙 $ 73.900
Manija en níquel Apertura de la puerta de la cámara 1 𝑢𝑛𝑑 $ 4.69013 1 𝑢𝑛𝑑 $ 4.690
Bisagra calibre 16 Giro de la puerta con respecto a la
cámara 1 𝑢𝑛𝑑 $ 3.49014 1 𝑢𝑛𝑑 $ 3.490
7 Precio tomado de la web: https://www.donramis.com.mx 8 Precio tomado de la web: https://spanish.alibaba.com 9 Precio tomado de la web: https://articulo.mercadolibre.com.ar 10 Precio tomado de la web: https://resopal.com 11 Precio tomado de la web: https://articulo.mercadolibre.com.co 12 Precio tomado de la web: https://articulo.mercadolibre.com.co 13 Precio tomado de la web: https://www.easy.com.co 14 Precio tomado de la web: https://www.easy.com.co
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
138
Evaporador Funcionalidad del evaporador en el
ciclo 1 𝑢𝑛𝑑 $ 18.99015 1 𝑢𝑛𝑑 $ 18.990
Condensador Funcionalidad del condensador en el
ciclo 1 𝑢𝑛𝑑 $ 7.54016 1 𝑢𝑛𝑑 $ 7.540
Tubería de acero cromado Transporte del refrigerante entre los
componentes del dispositivo 4 𝑚 $ 14.99017 8 𝑚 $ 7.495
Soldadura estaño Ensamble general 100 𝑔 $ 41.74318 100 𝑔 $ 41.743
Remaches Ensamble general 20 𝑢𝑛𝑑 $ 24.81419 20 𝑢𝑛𝑑 $ 24.814
Lámina de acero 1018 Armado del tanque 0,7043 𝑚2 $ 2.400.00020 420.000 𝑐𝑚2 $ 40.244
Tubería estructural
rectangular Soporte del tanque 1,2 𝑚 $ 82.70021
80 x 40 x 600
𝑐𝑚 $ 16.540
Válvula de esfera Restricción del paso de fluidos 2 𝑢𝑛𝑑 $ 22.99022 1 𝑢𝑛𝑑 $ 22.990
Válvula de aguja en acero
inoxidable Control de presión del refrigerante 1 𝑢𝑛𝑑 $ 66.90023 1 𝑢𝑛𝑑 $ 66.900
Manómetro Medición de presión en el tanque 1 𝑢𝑛𝑑 $ 16.99024 1 𝑢𝑛𝑑 $ 16.990
15 Precio tomado de la web: http://www.bundyoex.com/ 16 Precio tomado de la web: http://www.bundyoex.com/ 17 Precio tomado de la web: https://www.easy.com.co 18 Precio tomado de la web: https://articulo.mercadolibre.com.co 19 Precio tomado de la web: https://www.amazon.es 20 Precio tomado de la web: https://spanish.alibaba.com 21 Precio tomado de la web: https://www.homecenter.com.co 22 Precio tomado de la web: https://www.easy.com.co 23 Precio tomado de la web: https://articulo.mercadolibre.com.co 24 Precio tomado de la web: https://www.easy.com.co
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
139
Amoniaco Refrigerante 8,5888 𝑘𝑔 $ 330.00025 25 𝑘𝑔 $ 113.372
Agua destilada Absorbente 7,3288 𝑘𝑔 $ 47.60026 4 𝑘𝑔 $ 87.213
Tubería de acero cromado Flujo de agua del colector solar al
dispositivo 5 𝑚 $ 14.99027 8 𝑚 $ 9.369
Colector solar de placa
plana Suministro de energía 1 𝑚2 $ 125.36028 1 𝑚2 $ 125.360
Costo Total Materia Prima [COP] $1.045.525
Costo Total Materia Prima [USD] 327 USD29
Fuente: Elaboración propia
25 Precio tomado de la web: https://spanish.alibaba.com 26 Precio tomado de la web: https://instrumentalia.com.co 27 Precio tomado de la web: https://www.easy.com.co 28 Precio tomado de la web: https://www.ebay.com 29 Tasa de cambio de 3.200 COP/ 1 USD
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
140
En la Tabla 36 resumen las características de precio, el volumen de cámara frigorífica y
temperaturas de trabajo de los dispositivos descritos en la sección 3.4, calculando el valor
correspondiente del indicador 𝑈. Se exceptúa del análisis la máquina de hielo ISAAC, debido a que
actualmente no tiene valor de comercialización (solo existen limitadas instalaciones en Kenia). Cabe
recordar que los dispositivos SolarChill, SunDanzer y Dulas utilizan tecnología por compresión,
mientras que el dispositivo Solaref utiliza tecnología por adsorción.
Tabla 34. Valor del indicador 𝑈 para diferentes dispositivos similares al prototipo del proyecto
Referencia Precio Volumen de la cámara frigorífica
Temperatura ambiente máxima
Temperatura mínima de
refrigeración
Valor del indicador 𝑼
SunDanzer 1.549 USD 368 litros 32 °C 2 °C 0,140
Solaref 3.700 USD 200 litros 43 °C 0 °C 0,430
Dispositivo del proyecto
1.308 USD 64 litros 29 °C -18 °C 0,435
SunDanzer 699 USD 50 litros 32°C 2 °C 0,466
Solaref 2.600 USD 70 litros 43 °C 0 °C 0,864
SolarChill 1.500 USD 50 litros 32 °C 2 °C 1,000
Dulas 1.999 USD 37,5 litros 43 °C 2 °C 1,300
SunDanzer 3.599 USD 55 litros 43 °C 2 °C 1,596
Fuente: Elaboración propia según referencias en la sección 3.4
En la Tabla 36 se observa que la referencia con el menor valor del indicador 𝑈 corresponde a un
dispositivo de la marca SunDanzer con un valor de 0,140. Esto indica que dicho dispositivo muestra
la mejor relación entre el precio, el volumen y las temperaturas de trabajo, lo cual se explicaría dado
que a su vez es el dispositivo con el mayor volumen de la cámara frigorífica dentro de las
referencias, mientras que su precio se aproxima al de otros dispositivos con volúmenes cercanos a
los 50 litros. Para el dispositivo diseñado en el proyecto se encuentra una aproximación del indicador
𝑈 frente a las referencias de Solarref y SunDanzer, lo cual indicaría que el precio estimado de 1.308
USD podría ser competitivo en comparación, con particularidades competitivas en cada caso;
mientras el dispositivo del proyecto tiene la ventaja de trabajar a muy bajas temperaturas, por su
parte el dispositivo Solaref con un indicador 𝑈 de 0,430 cuenta con un alto volumen a un precio
adecuado en relación con las demás referencias. Por otro lado, el dispositivo SunDanzer con un
valor 𝑈 de 0,466 contaría con la ventaja de tener un bajo precio.
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
141
4.12. Variaciones del diseño según departamento
La temperatura ambiente y la irradiancia de la zona en donde se ubique el refrigerador de absorción
modificaría algunos de sus parámetros. La Tabla 35 muestra las variaciones en el área del colector
solar y el COP por departamento en ZNI, siguiendo el modelo descrito el cual tomó como referencia
las condiciones del departamento del Chocó. En la Tabla 35 se organizan de menor a mayor cada
uno de los 18 departamentos de acuerdo con los resultados obtenidos en el área del colector
teniendo que La Guajira requiere la menor área siendo un 53,70% menor al área de referencia del
modelo, lo cual se explicaría al observar que este departamento tiene una de las mayores
temperaturas ambiente promedio, así como la mayor irradiancia. Por otro lado, el departamento con
el mayor requerimiento en el área del colector solar es Nariño, con una necesidad aproximada de
253% por encima del modelo base, lo cual se relaciona con el hecho de que este departamento tiene
la más baja temperatura ambiente promedio y una baja irradiancia lo cual dificulta la obtención de
calor para la generación de refrigerante.
Tabla 35. Variaciones aproximadas en el área del colector solar y el COP por departamento en ZNI con respecto al modelo desarrollado
Departamento
Temperatura
ambiente
media [°C]
Irradiación
promedio
[kWh/m2]
Área del
colector
solar [m2]
Variación del
área del
colector %
COP
Variación
del COP
%
La Guajira 28,3 5,25 0,4064 -53,01% 0,6101 -0,25%
Magdalena 28,5 5 0,4505 -47,92% 0,6099 -0,28%
Vichada 28,5 4,75 0,5067 -41,42% 0,6099 -0,28%
Casanare 26,4 4,75 0,5258 -39,21% 0,6118 0,03%
Bolívar 27,8 4,6 0,5552 -35,82% 0,6105 -0,18%
San Andrés 27,5 4,5 0,5913 -31,64% 0,6108 -0,13%
Antioquia 26,6 4,5 0,6032 -30,27% 0,6116 0,00%
Valle del Cauca 26 4,5 0,6114 -29,31% 0,6122 0,09%
Meta 25,6 4,5 0,6172 -28,65% 0,6125 0,15%
Guainía 26,5 4,4 0,6436 -25,59% 0,6117 0,01%
Guaviare 25,7 4,2 0,7574 -12,44% 0,6124 0,14%
Choco 26,6 4 0,8650 0,00% 0,6116 0,00%
Amazonas 25,9 3,75 1,1445 32,31% 0,6123 0,11%
Caquetá 25,8 3,75 1,1504 33,00% 0,6124 0,12%
Vaupés 24,7 3,75 1,2212 41,19% 0,6134 0,29%
Cauca 19,3 3,9 1,3954 61,33% 0,6189 1,20%
Putumayo 22,9 3,5 2,1117 144,14% 0,6152 0,58%
Nariño 12,9 3,9 2,6809 209,95% 0,6265 2,43%
Fuente: Elaboración propia. Temperaturas e irradiación tomadas de (IDEAM, 2019)
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
142
En la gráfica de la Figura 37 se observan las magnitudes aproximadas para el área requerida del
colector solar y el COP correspondiente para cada departamento en ZNI según la información de la
Tabla 35, donde se evidencia poca variación en el COP pese a la variación en las condiciones
geográficas de cada zona, teniendo una máxima variación frente al modelo de diseño de +2,43%
correspondiente al departamento de Nariño, al cual a su vez corresponde el mayor requerimiento en
el área del colector solar con un resultado de aproximadamente 2,68 𝑚2. Esto indicaría que un
dispositivo diseñado para funcionar en las condiciones de todos los departamentos debería tener un
colector con un área de mínimo 2,68 𝑚2, sin embargo, se estaría considerando una capacidad
excesiva para la gran mayoría de departamentos puesto que para el 89% de los departamentos se
estima un requerimiento de menos de 1,5 𝑚2.
Figura 37. Magnitudes aproximadas en el área del colector solar y el COP, por departamento en ZNI
Fuente: Elaboración propia
El requerimiento en el espesor de la cámara frigorífica y el tamaño del tanque, según las condiciones
de temperatura ambiente e irradiancia de cada departamento en ZNI (ver Tabla 35) se muestran en
la Tabla 36, donde el máximo espesor requerido corresponde a los departamentos del Magdalena y
Vichada equivalente a 15,703 cm, un aumento del 4,69% frente al modelo desarrollado. Para estos
departamentos a su vez corresponden las mayores temperaturas ambiente según se observa en la
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
143
Tabla 35, mientras que en el caso de la menor temperatura ambiente correspondiente al
departamento de Nariño se calcula el menor requerimiento del espesor equivalente a un -33,66%
con respecto al modelo desarrollado; esto indica que tal como se esperaría, la temperatura ambiente
tiene una influencia directa con el espesor requerido en la medida en que aumenta o disminuye la
diferencia de temperatura con respecto a la carga interna del refrigerador modificando el gradiente
de calor a través de las paredes, lo cual se mitigaría con la modificación del espesor de la cámara.
Por otro lado, el volumen del tanque parece aumentar o disminuir en la medida en que aumenta o
disminuye respectivamente, la temperatura ambiente, lo cual se entiende al considerar que se
requiere una disminución menor de la temperatura en la medida en que la temperatura ambiente sea
menor lo cual generaría una menor necesidad de flujo de refrigerante disminuyendo el tamaño del
tanque.
Tabla 36. Variaciones aproximadas en espesor de la cámara frigorífica y el volumen del tanque por departamento en ZNI con respecto al modelo desarrollado
Departamento
Espesor de la
cámara frigorífica
[cm]
Variación del
espesor de la
cámara
frigorífica [%]
Volumen del tanque
[l]
Variación del
volumen del
tanque [%]
La Guajira 15,629 4,19% 29,829 2,22%
Magdalena 15,703 4,69% 29,905 2,48%
Vichada 15,703 4,69% 29,905 2,48%
Casanare 14,925 -0,50% 29,105 -0,26%
Bolívar 15,444 2,96% 29,638 1,57%
San Andrés 15,333 2,22% 29,524 1,18%
Antioquia 15,000 0,00% 29,181 0,00%
Valle del
Cauca 14,778 -1,48% 28,952 -0,78%
Meta 14,630 -2,47% 28,800 -1,31%
Guainía 14,963 -0,25% 29,143 -0,13%
Guaviare 14,667 -2,22% 28,838 -1,18%
Choco 15,000 0,00% 29,181 0,00%
Amazonas 14,741 -1,73% 28,914 -0,91%
Caquetá 14,705 -1,97% 28,875 -1,05%
Vaupés 14,298 -4,68% 28,456 -2,48%
Cauca 12,305 -17,97% 26,394 -9,55%
Putumayo 13,632 -9,12% 27,769 -4,84%
Nariño 9,951 -33,66% 23,945 -17,94%
Fuente: Elaboración propia
La gráfica de la Figura 38 representa las magnitudes aproximadas en el espesor de la cámara
frigorífica y el volumen del tanque en los departamentos en ZNI según la información de la Tabla 36.
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
144
Se observa que ningún departamento tiene un requerimiento mayor a 30 litros en el volumen del
tanque de almacenamiento, lo cual indica que esta dimensión es suficiente para las condiciones de
cualquiera de los departamentos. Se tiene además que el espesor de la cámara frigorífica varía en la
misma dirección en la que lo hace el volumen del tanque, teniendo mayor favorabilidad en
condiciones de baja temperatura ambiente, tal como ocurre en el departamento de Nariño, ya que
disminuye el requerimiento en espesor y volumen del tanque lo que se traduce en una menor
inversión en materia prima disminuyendo el costo del dispositivo. Sin embargo, se debe tener
presente que tales condiciones, usualmente asociadas a una baja irradiancia, generan un mayor
requerimiento en el área del colector solar tal como se observa en la gráfica de la Figura 37, lo cual
aumentaría el costo.
Figura 38. Magnitudes aproximadas en el espesor de la cámara frigorífica y el volumen del tanque,
por departamento en ZNI
Fuente: Elaboración propia
Particularmente, en el caso de Nariño (departamento con la menor temperatura ambiente) mientras
el espesor de la cámara disminuye en un 33,66% y el volumen del tanque disminuye en un 17,94%,
el área requerida del colector solar aumenta en un 209,95%; por su parte, en el departamento de La
Guajira (departamento con la mayor irradiancia y una de las mayores temperaturas ambiente) se
Capítulo 4: Desarrollo metodológico
145
tiene un aumento del espesor de 4,19% y un aumento en el volumen del tanque de 2,22%, con una
disminución en el área del colector solar de aproximadamente 53,01%. Esto indicaría que, pese a
que una disminución de la temperatura ambiente disminuye la diferencia de temperatura de
refrigeración disminuyendo a su vez la energía requerida en el proceso, a su vez se generan las
condiciones para que aumente el trabajo requerido por el colector solar lo cual aumentaría el costo
general del dispositivo; por tanto, para el dispositivo de refrigeración solar resulta ideal un entorno de
trabajo de alta temperatura ambiente y, evidentemente, alta irradiancia.
146
Capítulo 5. Conclusiones
5.1. Conclusiones
Teniendo en cuenta el contexto de las ZNI se consultaron alternativas sobre tecnologías de
refrigeración con la capacidad de ser aplicadas en contextos sin acceso a una conexión eléctrica, a
partir de lo cual se observa que esta es una problemática que ocurre en diversos lugares del mundo
con características similares a las de las ZNI, lo cual incluye aquellos lugares que hayan sufrido
catástrofes naturales que impiden el suministro energético convencional. La complejidad en el
suministro de recursos que representan las condiciones geográficas de las ZNI y la distribución de
sus habitantes, alejados entre sí, genera actualmente un déficit en la cobertura de las necesidades
básicas de esta población, lo cual se acentúa al considerar la baja capacidad de pago y de recaudo
que desestimula las posibilidades de inversión en varios de los sectores económicos, en donde se
incluye el sector energético. Dentro de las diferentes consecuencias que esto genera en los ejes
social, económico y de salud, se encuentran las limitaciones técnicas que poseen los habitantes
para el almacenamiento de productos perecederos por periodos prolongados de tiempo a partir de la
refrigeración. Esto da origen a una persistencia de características asociadas a la pobreza ya que
aumenta la pérdida de alimentos disminuyendo la seguridad alimentaria, genera pérdidas
productivas especialmente en la agricultura y la pesca, y dificulta la prestación de servicios de salud
en relación con el almacenamiento de perecederos como vacunas y fármacos.
Se identificó que, aunque existen diferentes sistemas y ciclos de funcionamiento, los dispositivos de
enfriamiento pueden ser comparables a través de métricas o variables cuantitativas comunes, lo cual
es importante para aumentar la objetividad que se tiene al tomar la decisión de cuál sería la mejor
tecnología para implementar en las zonas objetivo. Emplear técnicas de ingeniería para el diseño de
productos y toma de decisiones, permite analizar cuáles son los parámetros que generan valor en la
solución de los requisitos de un público objetivo y además visualizar cuales son las diferencias
significativas entre varias alternativas de acuerdo con varios criterios de decisión.
Dando respuesta a la pregunta de investigación se tiene que la tecnología de refrigeración por
absorción muestra tener el mayor potencial de desarrollo y aplicación en las ZNI, cumpliendo mejor
con los requerimientos y condiciones de sus habitantes en comparación con otras tecnologías
existentes, lo cual se determinó empleando la información consultada a través de revisión
bibliográfica en un análisis comparativo utilizando la Casa de la Calidad y el Análisis Jerárquico de
Decisión. Este potencial se debe principalmente a características asociadas a la buena integración
Capítulo 5: Conclusiones
147
de la tecnología con fuentes no convencionales de energía renovable, siendo posible la utilización de
colectores solares (en lugar de paneles solares) dada su capacidad de aprovechamiento de la
energía térmica de manera directa; otros factores resaltables que aumentan su competitividad frente
a las demás es su bajo requerimiento de mantenimiento (debido a que requiere muy pocas partes
móviles) y su larga vida útil.
Resulta importante destacar también las principales cualidades y falencias de las demás tecnologías
con potencial de desarrollo en zonas fuera de la red. La tecnología por compresión por su parte
cuenta con una alta eficiencia (COP) y un amplio rango de configuración de temperaturas, sin
embargo, el hecho de que requiera de la utilización de un compresor genera un mayor grado de
mantenimiento, además de aumentar la complejidad en el desarrollo de diseños portátiles. La
tecnología por adsorción tiene la ventaja de aprovechar la energía térmica proveniente de la energía
solar de manera directa (al igual que la tecnología por absorción), sin embargo, ofrece baja
capacidad de enfriamiento debido a la falta de desarrollo de pares de trabajo con un buen
rendimiento. La tecnología termoeléctrica además de tener capacidad para emplearse en diseños de
uso portable cuenta con la ventaja de no requerir fluidos de trabajo, lo cual se traduce en menor
riesgo de impacto ambiental; sin embargo, posee un bajo coeficiente de rendimiento (COP) y no es
aplicable en diseños de grandes dimensiones. Por último, la tecnología Stirling ofrece la capacidad
de enfriamiento a muy bajas temperaturas, siendo muy útil en procesos de congelación, sin
embargo, tiene una baja vida útil y una alta complejidad técnica lo cual implica mayores costos. Se
debe tener en consideración que la puntuación obtenida en el Análisis Jerárquico de Decisión fue
muy cercana para las diferentes alternativas lo cual indica que cada una de las tecnologías tiene
cierto potencial por desarrollar y explorar en cuanto a su aplicación en zonas fuera de la red.
La difusión de los refrigeradores por absorción en las ZNI influye en el eje social al garantizar el uso
de un electrodoméstico importante asociado al aumento de la calidad de vida, con una de las
mayores demandas en los hogares, lo cual reduciría las Necesidades Básicas Insatisfechas (en
regiones con los más altos niveles de NBI en Colombia), al facilitar el acceso y conservación de
productos perecederos. Este acceso aumentaría la seguridad alimentaria en general al disminuir la
pérdida de productos en el último eslabón de la cadena de abastecimiento (las unidades familiares),
en el cual se desecha una importante proporción de la producción. En el eje económico se
disminuiría la pérdida de productos en los sectores de cultivo de alimentos y pesca principalmente,
siendo esta última una actividad muy importante entre los departamentos en ZNI. Por otro lado,
considerando que las condiciones de las ZNI favorecen la ineficiencia de los dispositivos de
refrigeración, promover dispositivos con un buen rendimiento favorecería los compromisos de
eficiencia energética en el país y disminuiría el costo en inversión en el largo plazo al aumentar la
vida útil de los dispositivos, así como el gasto en energía. Al emplear energías renovables se
reduciría el costo operativo, lo cual es importante al tener en cuentas que los refrigeradores son los
dispositivos que mayor consumo energético representan en una unidad familiar. Tener acceso a los
refrigeradores por absorción en las ZNI influiría el eje de salud reduciendo el riesgo de
Capítulo 5: Conclusiones
148
enfermedades al favorecer una adecuada conservación de los alimentos en las unidades familiares,
mientras a su vez brinda la posibilidad de almacenar vacunas y otros fármacos que requieran de
temperaturas bajas para su conservación, lo cual actualmente es una limitante para la población.
Se lograron establecer parámetros para la elaboración de un dispositivo de refrigeración por
absorción intermitente de una fase tomando como base las características de temperatura ambiente
e irradiación del departamento del Choco, cuyos resultados fueron validados a partir de un análisis
de sensibilidad y una simulación en el programa Aspen Hysys. El análisis de sensibilidad indicó
mejoras en el Coeficiente de Rendimiento del dispositivo en la medida en que aumenta la carga de
enfriamiento pese a aumentar directamente el requerimiento en el área del colector solar. Así mismo,
el aumento del espesor de la cámara frigorífica también genera un aumento del COP, con una
consecuente disminución en el área del colector. El aumento de la temperatura ambiente, por su
parte, generó una disminución en el COP aun teniendo una disminución del área del colector solar,
así como del espesor. Por otro lado, la simulación del modelo permitió identificar con mayor
precisión el requerimiento de calor de generación de refrigerante 𝑄𝐺, así como la máxima caída de
presión requerida en la válvula de expansión entre el condensador y el evaporador del dispositivo.
También se encontró que la presión de trabajo en el tanque del dispositivo puede llegar a ser
considerablemente alta, por lo cual el diseño y el material de fabricación definitivos deben poder ser
acordes al soporte de una presión máxima bajo cierto factor de seguridad.
Los parámetros de diseño del modelo base del refrigerador por absorción se ajustaron a las
condiciones climáticas (temperatura ambiente e irradiación) de cada uno de los departamentos en
ZNI para determinar el dispositivo de solución más acorde. Dentro de las características de diseño
del dispositivo de refrigeración propuesto se observa que, variando los parámetros de entrada según
las condiciones de cada zona, no se genera demasiada diferencia en cuanto al tamaño requerido del
tanque de almacenamiento de la solución y la masa requerida del fluido secundario. Sin embargo, el
rango de área estimado para los colectores solares varía de 0,41 𝑚2 a 2,68 𝑚2, dadas las
condiciones climatológicas de cada departamento. Esto indica que no sería conveniente estandarizar
los parámetros del dispositivo de refrigeración por tecnología de absorción estableciendo un único
diseño, ya que podría incurrirse en costos innecesarios (mayor capacidad a la requerida) o en un
deficiente funcionamiento del dispositivo (menor capacidad a la requerida). En cada región o
departamento es posible y sería conveniente, ajustar los parámetros del dispositivo a las
características climatológicas del lugar. Se encontró que condiciones de alta temperatura ambiente
generan mayor beneficio en el diseño del dispositivo al facilitar la generación de energía (menor
requerimiento en el área del colector solar), lo cual supera relativamente las desventajas asociadas
al aumento del gradiente de temperatura y calor entre el exterior y la carga de enfriamiento,
relacionados con el espesor de la cámara y el requerimiento de refrigerante, los cuales resultan no
tener un aumento significativo.
Capítulo 5: Conclusiones
149
La información contenida en el presente trabajo es útil como fundamento para proponer y justificar
proyectos a favor del mejoramiento de la calidad de vida de los habitantes de las ZNI por parte tanto
de las entidades gubernamentales encargadas de asegurar su desarrollo, como de las entidades
privadas interesadas en oportunidades de inversión en el sector energético y/o en el desarrollo de
dispositivos de refrigeración a partir de fuentes no convencionales de energía.
5.2. Recomendaciones
La población objetivo del dispositivo de refrigeración por absorción por lo general no acostumbra
conservar sus alimentos a través del proceso de refrigeración, por lo cual sería importante que en
un proyecto de implementación se incluya un mecanismo de capacitación para los usuarios que
tenga en cuenta conceptos importantes sobre la higiene y el almacenamiento de los productos
perecederos de mayor consumo en las diferentes regiones, de tal forma que los usuarios empleen el
dispositivo de la mejor forma, sin comprometer su vida útil y/o la calidad de los productos de
consumo, lo cual afectaría negativamente aspectos como por ejemplo, la salud de los usuarios. El
cuidado y el mantenimiento del dispositivo es otro aspecto importante para incluir dentro de una
adecuada capacitación previa, en tanto se relaciona directamente con la vida útil del dispositivo.
Posibles investigaciones futuras se pueden desarrollar alrededor de la optimización del diseño de
dispositivos de refrigeración por absorción con colector solar en las condiciones (sociales,
geográficas y/o climatológicas) de regiones específicas en el país, a favor de un aumento en el
rendimiento del dispositivo (mejoramiento del COP) y una disminución en el costo de fabricación. Así
mismo, esta investigación incluye bases iniciales para el cálculo de inversión en la implementación
de un proyecto de difusión de refrigeradores por absorción en las ZNI de Colombia. Por otro lado, los
resultados de la investigación son de utilidad también para investigaciones interesadas en el
mejoramiento de tecnologías de refrigeración particulares, al considerar sus principales ventajas y
desventajas aquí descritas, en relación con su demanda en contextos fuera de la red.
150
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165
Anexos
Anexo 1. Inversión en proyectos por parte del IPSE entre el
periodo 2014 - 2018
Tabla 37. Inversión en proyectos por parte de IPSE en el periodo 2014 - 2018.
AÑO INVERSIÓN EN PROYECTOS – IPSE (COP)
2014 26.531’400.000
2015 33.539’000.000
2016 43.128’400.000
2017 123.844’100.000
2018 10.600’000.000
TOTAL 237.642’900.000
Fuente: Seguimiento a Proyectos de Inversión: spi.dnp.gov.co
Anexo 2. Prestación de energía en localidades con y sin telemetría
Las ZNI con telemetría suman alrededor de 70 localidades, cada una de las cuales cuenta con algún
grado de prestación de energía. Como se observa en la Figura 39, 22 localidades (31%) tienen una
prestación de 24 horas al día, 20 localidades (28%) una prestación de 7 a 12 horas diarias, y 7
localidades (10%) una prestación de 1 a 6 horas al día.
Anexos
166
Figura 39. Número de localidades en ZNI con telemetría según horas de prestación de energía diaria
(CM: Cabecera municipal).
Fuente: Adaptado del CNM (2018)
Las ZNI sin telemetría suman cerca de 1.711 localidades, de las cuales no se tiene información en
alrededor de 643 (37%). La Tabla 38 muestra las horas de prestación de energía en las localidades
de las cuales se tiene información, donde el 83,15% cuenta con una prestación de entre 1 y 6 horas.
Cerca de un 4,49% no tiene ninguna hora de prestación de energía al día. Sin embargo, al analizar
la información por número de usuarios, tal como se observa en la Figura 39, alrededor de 42.205
usuarios de entre los 64.213 de los cuales se tiene información, cuenta con un servicio de energía
de alrededor de 24 horas diarias; los usuarios restantes (34,3%) tiene menos de 23 horas diarias de
prestación de energía al día.
Anexos
167
Tabla 38. Número de localidades de las ZNI sin telemetría de las cuales se tiene información, según la prestación del servicio de energía diario
HORAS DE PRESTACIÓN DEL
SERVICIO
NÚMERO DE
LOCALIDADES
PORCENTAJE DE
LOCALIDADES
0 48 4,49%
1 – 6 888 83,15%
7 – 12 87 8,15%
13 – 18 6 0.47%
19 – 23 7 0,75%
24 32 3%
Total 1.068 100%
Fuente: Elaboración propia según información del CNM (2018)
Figura 40. Prestación de energía diaria en ZNI sin telemetría (de las cuales se tiene información) según el
número de usuarios. (CM: Cabecera municipal)
Fuente: Adaptado de (CNM, 2018)
Anexos
168
Anexo 3. Inversión privada requerida en proyectos de expansión
La Tabla 39 resume la inversión privada que se requiere por parte de las empresas prestadoras de
energía para cubrir las necesidades energéticas de algunos de los departamentos con ZNI. En la
Tabla 39 se evidencia que, para cubrir la demanda, se requiere una inversión privada significativa
(un total de $371.041 millones COP)(UPME, 2013), lo cual puede no ser rentable ni estimulante para
el sector privado dadas las características de la población en ZNI (baja capacidad de recaudo, bajos
ingresos económicos, etc.).
Tabla 39. Inversión privada (Operadores de Red) para el cubrimiento de necesidades energéticas por departamento
Departamento Inversión OP vía tarifa actual (millones)
Antioquia $ 2.603
Bolívar $ 19.818
Caquetá $ 15.436
Casanare $ 45.050
Cauca $ 82.459
Chocó $ 18.312
Guaviare $ 5.273
La Guajira $ 12.767
Magdalena $ 4.543
Meta $ 13.945
Nariño $ 24.083
Putumayo $ 109.199
Valle $ 17.553
Total $ 371.041
Fuente: (UPME, 2013)
Anexos
169
Anexo 4. Proporción de municipios pertenecientes a las ZNI por
departamento.
Tabla 40. Proporción de municipios pertenecientes a las ZNI por departamento
DEPARTAMENTO TOTAL
MUNICIPIOS
MUNICIPIOS ZNI
% ZNI USUARIOS
ZNI
ARCHIPIÉLAGO DE SAN ANDRÉS, PROVIDENCIA Y SANTACATALINA
2 2 100% 21.854
AMAZONAS 11 11 100% 13.378
VICHADA 4 4 100% 9.497
GUAINÍA 9 9 100% 7.814
VAUPÉS 6 5 83% 4.386
CHOCÓ 30 23 77% 46.728
GUAVIARE 4 2 50% 1.509
PUTUMAYO 13 5 38% 6.944
CAQUETÁ 16 6 38% 4.140
META 29 5 17% 1.605
NARIÑO 64 11 17% 56.764
CASANARE 19 2 11% 331
CAUCA 42 3 7% 21.112
LA GUAJIRA 15 1 7% 390
MAGDALENA 30 1 3% 436
ANTIOQUIA 125 3 2% 4.551
VALLE DEL CAUCA 42 1 2% 7.057
BOLÍVAR 46 1 2% 585
Fuente: Adaptado de IPSE (2018) y (DANE, 2011)
170
Anexo 5. Proporción de necesidades básicas insatisfechas en los
departamentos con ZNI
Tabla 41. Proporción de NBI en los departamentos con ZNI
Dpto. Proporción
% Municipios
ZNI % Región
Choco 79,19 77 Pacífico
Vichada 66,95 100 Amazonas
La Guajira 65,23 7 Caribe
Guaina 60,62 100 Amazonas
Vaupés 54,77 83 Amazonas
Magdalena 47,68 3 Caribe
Cauca 46,62 7 Pacífico
Bolívar 46,60 2 Caribe
Amazonas 44,41 100 Amazonas
Nariño 43,79 17 Pacífico
Caquetá 41,72 38 Orinoquía
San Andrés 40,84 100 Insular
Guaviare 39,89 50 Amazonas
Putumayo 36,01 38 Amazonas
Casanare 35,55 11 Orinoquía
Meta 25,03 17 Orinoquía
Antioquia 22,96 2 Andina
Valle del Cauca
15,68 2
Pacífico
Fuente: Adaptado de (DANE, 2011),(DANE, 2011)
171
Anexo 6. Defunciones de menores de un año por cada mil nacidos
vivos en los departamentos de Colombia
Tabla 42. Defunciones de menores de un año por cada mil nacidos vivos en los departamentos de Colombia
Dpto. Defunciones
Amazonas 48,1
Vaupés 47,3
Guainía 41,1
Chocó 40,9
Vichada 40,5
Guaviare 36,7
La Guajira 32,8
Casanare 25,2
Arauca 24,3
Córdoba 24,0
Sucre 23,1
Meta 22,5
Nariño 22,0
Bolívar 21,0
Cauca 20,5
Caquetá 20,1
Cesar 19,2
Putumayo 18,7
Tolima 18,4
Magdalena 17,7
Huila 17,3
Atlántico 16,0
San Andrés 15,4
Boyacá 15,4
Antioquia 14,1
Cundinamarca 13,8
N. Santander 13,0
Risaralda 13,0
Santander 12,9
Caldas 12,3
Quindío 12,2
Bogotá, D. C. 11,6
Valle del Cauca 11,5
Fuente: Adaptado de (DANE, 2016)
172
Anexo 7. Distribución del uso del suelo en los departamentos
principales con ZNI
Tabla 43. Distribución del uso del suelo en los departamentos principales con ZNI
Departamento % Área agropecuaria % Área en bosque % Otros Total
Casanare 71% 18% 11% 100%
Meta 56% 41% 3% 100%
Antioquia 55% 39% 6% 100%
Valle Del Cauca 54% 40% 6% 100%
Vichada 51% 46% 2% 100%
Cauca 43% 53% 4% 100%
Nariño 37% 58% 5% 100%
Putumayo 26% 71% 3% 100%
Caquetá 20% 78% 2% 100%
Chocó 12% 83% 5% 100%
Guaviare 10% 89% 1% 100%
Guainía 8% 91% 1% 100%
Vaupés 2% 97% 1% 100%
Amazonas 1% 97% 1% 100%
Promedio 32% 64% 4% 100%
Fuente: Adaptado de (DANE, 2015)
Anexos
173
Tabla 44. Distribución del uso del suelo para actividad agropecuaria en los departamentos principales con ZNI
Departamento % Uso dominante
agrícola
% Uso dominante pecuario
% Uso dominante bosques
Total
Antioquia 53% 44% 3% 100%
Casanare 52% 47% 1% 100%
Valle Del Cauca 40% 24% 36% 100%
Cauca 38% 30% 32% 100%
Nariño 26% 16% 57% 100%
Meta 23% 43% 34% 100%
Caquetá 5% 14% 80% 100%
Putumayo 0% 0% 100% 100%
Chocó 0% 2% 97% 100%
Vichada 0% 35% 65% 100%
Vaupés 0% 0% 100% 100%
Guaviare 0% 0% 100% 100%
Amazonas 0% 0% 100% 100%
Guainía 0% 0% 100% 100%
Promedio 17% 18% 65% 100%
Fuente: Adaptado de(DANE, 2015)
Anexo 8. Gráficos de productos agrícolas cultivados por hectáreas
Figura 41. Hectáreas utilizadas para siembra de tubérculos
Fuente: Elaboración propia con base en(DANE, 2015)
Anexos
174
Figura 42. Hectáreas utilizadas para siembra de frutas. Fuente: Elaboración propia con base en(DANE, 2015)
Figura 43. Hectáreas utilizadas para siembra de cereales. Fuente: Elaboración propia con base en(DANE, 2015)
Anexos
175
Figura 44. Hectáreas utilizadas para siembra de flores, verduras, entre otras. Fuente: Elaboración propia con base en(DANE, 2015)
Anexos
176
Anexo 9. Mapa del estado de la información pesquera en Colombia
Figura 45. Mapa del estado de la información pesquera en Colombia. Fuente: Adaptado de (SEPEC, 2018)
Anexos
177
Anexo 10. Tasa de vacunación BCG y Pentavalente en los
departamentos con ZNI.
Tabla 45. Cobertura en vacunación BCG y pentavalente en los departamentos con ZNI.
Departamento
Tasa vacunación
antituberculosa BCG %
Tasa vacunación
Pentavalente %
Región
Amazonas 89,19 80,64 Amazónica
Antioquia 99,06 93,17 Andina
Bolívar 74,83 86,42 Caribe
Caquetá 89,63 79,17 Orinoquía
Casanare 89,06 89,93 Orinoquía
Cauca 82,46 94,95 Pacífico
Chocó 83,97 77,32 Pacífico
Guainía 131,69 93,28 Amazónica
Guaviare 97,15 93,49 Amazónica
La Guajira 94,2 86,2 Caribe
Magdalena 88,27 88,86 Caribe
Meta 90,09 84,63 Orinoquía
Nariño 92,84 92,07 Pacífico
Putumayo 87 92,27 Amazónica
Valle del Cauca 87,62 92,69 Pacífico
Vaupés 86,16 83,51 Amazónica
Vichada 83,31 60,35 Amazónica
Fuente: adaptado de(SISPRO, 2018)
178
Anexo 11. Mapa densidad energía eólica
Figura 46. Mapa de densidad eólica de Colombia. Fuente: Adaptado de (IDEAM, 2018c)
Anexos
179
Anexo 12. Mapa de irradiación solar
Figura 47. Mapa de irradiación solar de Colombia. Fuente: Adaptado de (IDEAM, 2018b)
180
Anexo 13. Mapa potencial energético utilizando biomasa
Figura 48. Mapa de potencial energético utilizando biomasa en el país. Fuente: Adaptado de (IDEAM, UPME, & COLCIENCIAS, 2011)
181
Anexo 14. Relación de consistencia de las matrices del análisis
jerárquico de decisión
Tabla 46. Resultados relación de consistencia análisis jerárquico
Fuente: Elaboración propia
A B A B A B A B A B
1,667 9,161 1,827 5,104 1,419 5,058 0,986 5,054 2,682 5,312
1,667 9,161 1,827 5,104 1,419 5,058 0,986 5,054 1,355 5,239
1,667 9,161 0,781 5,045 0,541 5,030 0,370 5,022 0,642 5,041
0,277 9,024 0,324 5,014 0,255 5,008 2,370 5,125 0,275 5,047
0,638 9,081 0,324 5,014 1,419 5,058 0,370 5,022 0,275 5,047
0,277 9,024 Promedio 5,056 Promedio 5,042 Promedio 5,056 Promedio 5,137
0,638 9,081 IC 0,014 IC 0,011 IC 0,014 IC 0,034
0,638 9,081 IA 1,188 IA 1,188 IA 1,188 IA 1,188
1,667 9,161 RC 0,012 RC 0,009 RC 0,012 RC 0,029
Promedio 9,1038131
IC 0,013
IA 1,540
RC 0,008
Consistencia Matriz
Criterios de desición
Consistencia Matriz
Refrigeración de frutas y
verduras
Consistencia Matriz
Refrigeración de carnes
Consistencia Matriz
Refrigeración de vacunas
e insumos hospitalarios
Consistencia Matriz Bajo
consumo energético
A B A B A B A B A B
1,439 5,393 0,869 5,072 1,791 5,177 0,434 5,074 0,508 5,126
0,741 5,092 0,869 5,072 0,713 5,111 0,870 5,288 2,042 5,300
2,763 5,453 0,869 5,072 1,791 5,177 1,910 5,307 2,042 5,300
0,204 5,050 2,276 5,121 0,713 5,111 1,910 5,307 0,508 5,126
0,204 5,050 0,208 5,019 0,146 5,015 0,151 5,034 0,156 5,021
Promedio 5,208 Promedio 5,071 Promedio 5,118 Promedio 5,202 Promedio 5,175
IC 0,052 IC 0,018 IC 0,030 IC 0,050 IC 0,044
IA 1,188 IA 1,188 IA 1,188 IA 1,188 IA 1,188
RC 0,044 RC 0,015 RC 0,025 RC 0,042 RC 0,037
Consistencia Matriz Bajo
impacto ambiental
Consistencia Matriz Bajo
costo
Consistencia Matriz Bajo
requerimiento de
mantenimiento
Consistencia Matriz
Suministro energético
no convencional
Consistencia Matriz Alto
ciclo de vida
Anexos
182
Anexo 15. Propiedades del agua
Tabla 47. Propiedades del agua
Fuente: Tomado de (Moran & Shapiro, 2004)
Anexos
183
Anexo 16. Calor específico del agua
Tabla 48. Calor específico del agua entre 0°C y 100 °C
Fuente: Tomado de («VaxaSoftware page», 2018)
Anexos
184
Anexo 17. Calor específico de diferentes sustancias
Tabla 49. Calor específico de diferentes sustancias
Fuente: Tomado de (Perez, 2014)
Anexos
185
Anexo 18. Punto de fusión y ebullición para varias sustancias
Tabla 50. Punto de fusión (𝑃𝐹), calor latente de fusión (𝐿𝑓), punto de ebullición (𝑃𝐸) y calor
latente de vaporización (𝐿𝑣), para varias sustancias a 1 Atm.
Fuente: tomado de (Allen & Mosca, 2003)
Anexos
186
Anexo 19. Propiedades del refrigerante amoniaco
Tabla 51. Propiedades del refrigerante amoniaco
Fuente: Tomado de (Chiriboga & Collaguazo, 2018)
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