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Avances en Ciencias y Técnicas del Frío VII
Editado por
Alberto Coronas ȅ
Joan Carles Bruno
CREVER-‐ Research Group on Applied Thermal Engineering,
Departamento de Ingeniería Mecánica, UNIVERSITAT ROVIRA i VIRGILI
Actas del VII Congreso Ibérico y
V Congreso Iberoamericano de Ciencias y Técnicas del Frío-CYTEF 2014
celebrado del 18 al 20 de Junio de 2014 en Tarragona (España)
1
Editores: Alberto Coronas y Joan Carles Bruno Editado por: Universitat Rovira i Virgili Impreso en formato digital ISBN: 978-‐84-‐617-‐1304-‐2
Sólo se permite la reproducción parcial de este libro, y con la condición de que se cite de forma precisa la fuente original.
2
ÍNDICE
3
Capítulo 1. RefRigeRantes
Pág.
Revisión de nuevas alternativas fluoradas de bajo potencial de calentamientoatmosférico en climatización y refrigeración .................................................................................... 18
Ángel Barragán, adrián Mota-Babiloni, Joaquin navarro-esbrí, francisco Molés, Bernardo Peris
Overview of the refrigerants used in Portuguese agrofood industries ............................................. 28 Vitor ferreira, francisco Lamas, adélio gaspar, José Costa, José Ribeiro
Dimensionado de tuberías para refrigerantes de bajo PCA como alternativas al R134a .................. 37
Ángel Barragán, Joaquín navarro-esbrí, adrián Mota-Babiloni, francisco Molés, Bernardo Peris
Thermophysical characterization of new refrigerants ...................................................................... 46
J.J. Segovia, M.C. Martín, C.R. Chamorro, M.A. Villamañán
Calibration of cryogenic standard platinum resistance thermometers, traceability to the International temperature scale of 1990 ............................................................ 52
D. del Campo, a. Kowal, C. garcía
Capítulo 2. tRansfeRenCia De CaLoR y Masa
Pág.
Metodología para la validación de correlaciones de los coeficientes deintercambio de calor en condensadores de calor de tubos aleteados ............................................ 57
Alessandro Pisano, Santiago Martínez-Ballexter, José Miguel Corberán
Propane and difluoromethane heat transfer coefficient and pressure drop .................................... 67
A. López-Belchi, J.R. García-Cascales, F. Illán-Gómez, F. Vers-García
Effect of the order of accuracy in the diagonal implicit Runge-Kutta (DIRK) scheme in the determination of the transient true void fraction and pressure drops in pipes ....... 76
R. López, A. Lecuona, J. Nogueira, C. Vereda
Flow boiling heat transfer and pressure drop in multiport tube using R134a and R32 .................... 86
F. Ramírez-Rivera, F. Vera-García, J.R. García-Cascales, F. Illán-Gómez
Impact of dehumidification approach on the prediction of performance formini-channel evaporators ................................................................................................................. 96
Abdelrahman Hussein Hassan, Santiago Martínez-Ballester, José Gonzálvez-Macià
Análisis experimental de intercambiadores de aluminio con microcanalesutilizados como condensadores ....................................................................................................... 106
A.A. Pardiñas, J. Fernández-Seara, J.A. Dopazo, S. Bastos
Análisis experimental de intercambiadores “crimped spiral fin” funcionando como evaporadores 116
A.A. Pardiñas, J. Fernández-Seara, S. Bastos, F.J. Uhía
4
Pág.
Análisis del efecto de la pintura en la transmisión de calor de intercambiadoresde aluminio con microcanales ......................................................................................................... 126A.A. Pardiñas, J. Fernández-Seara, F.J. Uhía, J.A. Dopazo
Coeficientes de convección en la superficie exterior de dos serpentineshelicoidales aleteados de simple y doble pared ............................................................................... 133
C. Piñeiro-Pontevedra, J. Fernández-Seara, R. Diz, L. Prieto-Iglesias
Efecto de la mejora de la mojabilidad en un absorbedor de película descendentepara un sistema con desecantes líquidos ......................................................................................... 143
J. Prieto, J. Ortiga, A. Coronas
Performance assessment modelling of the absorption process in a NH3/LiNO3 bubble absorber .. 151
C. amaris, M. Bourouis, M. Valles
CFD simulation of heat and mass transfer in membrane based absorbersfor absorption refrigeration systems ................................................................................................ 161
Faisal Asfand, Youssef Stiriba, Mahmoud Bourouis
Diseño, construcción y validación de un equipo experimental para el estudiode la evaporación en Spray ............................................................................................................... 168
A.A. Pardiñas, J. Fernández-Seara, S. Bastos, F.J. Uhía
Thermal and Fluid dynamic study of cold storage ............................................................................ 178
E. Mas de les Valls, R. Ruiz, J. Montserrat, M. Quera
Capítulo 3. REFRIGERACIóN POR COMPRESSION MECANICA- EQUIPOS
Pág.
Refrigerant Charge Reduction in Refrigerating Systems ................................................................... 189
José Miguel Corberán
Evolución de los sistemas de expansión seca en circuitos de refrigeración ..................................... 194
Félix Sanz del Castillo
Next generation of heat pump technologies with natural refrigerants (NxtHPG Project) ................ 204
J.M. Corberán, C. Montagud, J. Gonzálvez-Macia, E. Navarro-Peris, M. Pitarch
Research and development of high capacity and efficiency heat pumps working
with hydrocarbons and CO2 (NxtHPG Project) ................................................................................. 213
A. Cerezuela-Parish, C. Montagud, M. Zamora, J. Gonzálvez-Maciá, J.M. Corberán
Mejora de la eficiencia energética en un drop-in con R1234yf medianteel uso de un intercambiador subenfriamiento-recalentamiento ...................................................... 223
francisco Molés, Joaquín navarro-esbrí, adrián Mota-Babiloni, Ángel Barragán, Bernardo Peris
Evaluación de la sustitución del R404A por R407F en aplicaciones de refrigeración comercial ....... 233
adrián Mota-Babiloni, Joaquín navarro-esbrí, Ángel Barragán, francisco Molés,
Bernardo Peris, g. Verdú
5
Pág.
Study for the minimization of the refrigerant charge in a low capacity brine-to-water heat pump . 240
C. Montagud, I. Martínez-Galván, J. Gonzálvez-Maciá, E. Navarro-Peris, J.M. Corberan
Influence of water lift temperature in transcritical and subcritical refrigerants ............................... 250
M. Pitarch, E. Navarro-Peris, J. Gonzálvez-Maciá, C. Montagud, J.M. Corberan
Desarrollo y puesta en marcha de equipos didácticos de refrigeración ........................................... 258
D. Sánchez, R. Cabello, E. Torrella, J. Patiño, R. Llopis, C. Sanz, D. Conesa, H. Negre,
C. Rodríguez, J. San Mateo
Análisis Experimental de una instalación de refrigeración en cascada con 134a y CO2 ................... 264
C. Sanz-Kock, R. Llopis, R. Cabello, D. Sánchez, E. Torrella
Evaluación de la influencia del subenfriamiento en el funcionamiento de las bombasde calor con inyección de vapor ....................................................................................................... 276
M. Pitarch, A. Macaluso, E. Navarro-Peris, J. Gonzálvez-Maciá
Análisis de la influencia de la inyección intermedia en una instalación frigoríficacon compresor Scroll ........................................................................................................................ 286
R. Diz, J. Fernández-Seara, J.A. Dopazo, A.A. Pardiñas
Capíulo 4. RefRigeRaCión téRMiCa
Pág.
Desarrollo pre-industrial, medición experimental y caracterización a carga parcialde una nueva enfriadora de absorción de amoniaco-nitrato de litio con disipación por aire .......... 297
M. Zamora, M. Valles, M. Bourouis, A. Coronas
Desarrollo de una subrutina para la modelización del comportamiento de una máquina de absorción Yazaki WFC-SC5 ..................................................................................... 307
Pedro Juan Martínez, José Carlos Martínez
Ensayos de enfriadoras por absorción de pequeña potencia a carga parcial yselección de la estrategia de control ................................................................................................ 317
J. Rodríguez-Carabias, J.C. Bruno, A. Coronas
Análise transitória de um sistema de refrigeració por absorçao de simples efeito .......................... 327
Ochoa A.A., Dutra J.C.C., Henríquez J.R.
Simulation studies of half effect GAX based ammonia absorption systemsfor combined heating and cooling applications ................................................................................ 338
g. Praveen Kumar, R. saravanan, a. Coronas
Experimental evaluation of an ejector-adiabatic absorber with ammonia-lithium nitrate solution. 348
C. Vereda, R. Ventas, A. Lecuona, P. Rodríguez, J. Nogueira, R. López
Técnica de Mediçao de vazao nao intrusivo para sistema de refrigeraçaoque usam par água Brometo de Lítio (H2O/LiBr) ............................................................................. 359
Allyson Macário de Araújo Caldas, Carlos Cabral A. dos Santos, Kleber Lima Cézar6
Pág.
Controle de recirculaçao para chillers de absorçao com H20/LiBr ................................................... 373
Kleber Lima Cézar, Carlos Cabral A. dos Santos, Allyson Macário de Araújo Caldas,Marcos Cézar Lima Cordeiro, Thiago Andrade Fernandes, Rayssa Ferreira Alencar, tassio alessandro silva
An overview on absorber configurations and its suitability for ionic liquid based solar operated absorption cooling systems ........................................................................... 380
R. Sivkumar, R. Saravanan, M.P. Maiya, A. Coronas
Performance of Ammonia - Ionic Liquid Pairs in Absorption Refrigeration Systems ........................ 390
Shishir Jaiswal, Anjan Rao P., M.P. Maiya, A. Coronas
Capítulo 5. sisteMas teRMoeLéCtRiCos
Pág.
Estudio comparativo de diferentes sistemas de intercambio de caloren un refrigerador termoeléctrico y su influencia en el COP ............................................................ 401
P. Aranguren, A. Martínez, A. Rodríguez, G. Pérez, D. Astrain
Possibilities of using the compressor heat losses to enhance the efficiencyof refrigeration systems by means of the thermoelectric effect ...................................................... 404
Z. Ancik, E. Navarro-Peris, J.M. Corberán
Sistema termoeléctrico para la mejora de la transmisión de calor en un intercambiadorde tubos de calor .............................................................................................................................. 414
A. Martínez, D. Astrain, A. Rodríguez, P. Aranguren
Estudio computacional de un sistema termoeléctrico para el secado del hidrógenoproducido en un electrolizador ........................................................................................................ 422
P. aranguren, M. santa María, R. Rojo, D. astrain
Capítulo 6. DESHUMIDIFICACIóN CON DESECANTES
Pág.
Estudio numérico de sistemas de climatización híbridos con rueda desecante ............................... 433
F. Comino, A. Cerezuela, M. Ruiz de Adana, M. Zamora, F. Peci
Results of testing a simple component desiccant wheel model derived fromthe dynamic simulation of a solar desiccant air conditioning system .............................................. 443
C. Ruivo, F. Fernández-Hernández, J.M. Cejudo
Method for the reduction of computational time for a dehumidifier computer model .................. 451
F. Barceló, J. Gonzálvez, C. Montagud
Performance analysis of different absorber configurations for liquid dessicant systems ................. 456
K. Gommed, G. Grossman, J. Prieto, J. Ortiga, A. Coronas
7
Sensitivity analysis of the operational variables in a liquid desiccant system .................................. 463
J. Prieto, J. Ortiga, A. Coronas
Capítulo 7. RefRigeRaCión DoMéstiCa y CoMeRCiaL
Pág.
Anális de sistemas frigoríficos destinados a bebidas de pressao ...................................................... 472
Clito alfonso, José garcía, Joaquim gabriel
Estudio de la carga térmica en refrigeradores domésticos para climas tropicales ........................... 480
S. del río, C. Isaza, N. Jara, H. Mejia, J. Ospina
Análisis de los efectos que provoca la formación de escarcha en los refrigeradores domésticos .... 487
Oscar José Pineda, Ignacio Carvajal, Florencio Sánchez, Diego A. Ruiz, Alejandro Zacarías
Cálculo de tubos capilares ................................................................................................................ 497
J. guallar, C. Monné, L. guallar
Evolución de la norma de eficiencia energética aplicada a refrigeradores domesticos en México .. 505
Fernando G. Arroyo, Juan José Ambriz, Javier E. Aguillón
Visualización del flujo de refrigerante a la entrada del tubo capilar en un frigorifico doméstico .... 513
L. Bardoulet, A. Pisano, S. Martínez-Ballester
Simulación del flujo de aire al interior de un refrigerador doméstico no-frost ................................ 522
H. Mejía, C. Isaza, S. del Río, N. Jara, J. Ospina
Selección adecuada de tecnológica en refrigeradores domésticos anteel cambio climático, caso México ..................................................................................................... 529
Bernal Juan, arroyo fernando, Lomelí Jorge
Energy comparison of two-stage solutions for commercial refrigerationat low temperature: fluids and systems ............................................................................................ 536
R. Llopis, C. Sanz-Kock, R. Cabello, D. Sánchez, E. Torrella
Capítulo 8. CLIMATIZACIóN Y ACS - EQUIPOS
Pág.
Acumuladores de ACS en bombas de calor aire-agua. Parte I: Comportamiento sin consumos ACS .. 549
R. Diz, J. Fernández-Seara, C. Piñeiro-Pontevedra, L. Prieto-Iglesias
Acumuladores de ACS en bombas de calor aire-agua. Parte II: Comportamiento con consumos ACS . 558
R. Diz, J. Fernández-Seara, L. Prieto-Iglesias, C. Piñeiro-Pontevedra
Feasibility of passive concrete core cooling at hot-semiaride climatic conditions ........................... 566
D.G. Leo Samuel, S.M. Shiva Nagendra, M.P. Maiya
8
Almacenamiento térmico de energía con materiales de cambio de fase en aplicacionesde refrigeración ................................................................................................................................ 573
J. Mazo, M. Delgado, P. Dolado, A. Lázaro, C. Peñalosa, J.M. Marín, B. Zalba
Diseño y Análisis del comportamiento térmico de un depósito con PCMspara la producción de ACS mediante bombas de calor .................................................................... 587
L. Prieto-Iglesias, J. Fernández-Seara, A.A. Pardiñas, R. Diz
Comportamiento térmico de un serpentín helicoidal con hielo líquido ........................................... 597
R. Diz, J. Fernández-Seara, C. Piñeiro-Pontevedra, A.A. Pardiñas
Estudio del funcionamiento de una bomba de calor agua-agua con dos compresores en tándem . 607
F. Ruiz-Calvo, C. Montagud, J.M. Corberán
Design and simulation of a hybrid liquid desiccant system for a case study in Taiwan .................... 617
L. Alonso, X. Peña, J. Prieto, K. Gommed
Comportamiento de una bomba de calor glicol-agua empleando un aerotermo exterior .............. 627
F.J. Uhía, J. Fernández-Seara, A. Pereiro, S. Bastos
Posición y dimensionamiento del depósito de Inercia en circuitos de distribuciónde agua de sistemas de climatización con bomba de calor con regulación ON/OFF ........................ 637
J. Cervera-Vázquez, C. Montagud, J.M. Corberán
Cálculo de parámetros de control de un sistema de climatización en tiempo real:factor de carga parcial ...................................................................................................................... 647
F. Ruiz-Calvo, J. Cervera-Vázquez, C. Montagud, J.M. Corberán
Efecto del dimensionado del sistema de captación en el comportamientode una bomba geotérmica ................................................................................................................ 657
F.J. Uhía, J. Fernández-Seara, A. Pereiro, R. Diz
Capítulo 9. CLIMATIZACIóN EN EDIFICIOS Y VEHíCULOS
Pág.
Centro de Gestión Aeroportuaria de Colombia (CGAC) en el aeropuerto de El Dorado (Bogotá) .... 667
Juan Manuel Rodríguez
Repercusiones de la modificación del Código Técnico de la Edificación (apartado HE)sobre la certificación energética de edificios .................................................................................... 676
Emilio J. Saravia, Víctor M. Soto, José M. Pinazo
Etiquetado del consumo energético en los edificios. Evaluación de los sistemasde climatización y ACS ...................................................................................................................... 685
Arcadio García, Víctor Soto, José Manuel Pinazo
Comparativa para la valoración de la eficiencia energética de las tecnologíasde climatización en edificios de oficinas .......................................................................................... 702
Ivan Tovar, I. Rodríguez-Mestre, A. Coronas9
Impacto de los niveles de aislamiento y masa térmica en el desempeño energéticode los edificios de oficinas, dependiendo de las características climáticas del sitio ......................... 711
A. Ordoñez, M. Saffari, I. Korolija, Y. Zhang, A. Coronas
Aplicabilidad de un modelo 1D para techos frios integrable en programasde simulación térmica de edificios ................................................................................................... 721
E.A. Rodríguez-Jara, I. Rodríguez, F.J Sánchez de la Flor, J. L. Foncubierta
Simulation-based optimization study of radiant ceiling panels in the climatic area of Spain ........... 731
M. andrés, e. Velasco, a. tejero, f.J. Rey
Unidad terminal de suelo frio con ventilación incorporada ............................................................. 738
J.M. Cejudo, F. Fernández-Hernández, F. Domínguez, A. Carrillo
Airzone SIM: nueva herramienta para la evaluación energética y de conforttérmico de sistemas de climatización multizona mediante conductos con caudal variable ............. 748
M.C. González-Muriano
Validation and calibration of a TRNSYS model for simulation of radiant ceiling panels ................... 756
M. andrés, e. Velasco, a. tejero, f.J. Rey
Implementacion de la metodología postcomissioning en el sistemade aire acondicionado de la Clínica Universitaria (CUB), Medellin, Colombia .................................. 760
E. Pizano, B. Galeano, N. Escobar, J. Botero
Control strategies for the air-conditioning in electric vehicles ......................................................... 769
f. Bjurling, J.M. Corberán, J. Payá, B. torregrosa-Jaime
Capítulo 10. FRíO Y CALOR SOLAR
Pág.
Análisis energético de un equipo de climatización apoyado con energía solarfotovoltaica a lo largo de un año de funcionamiento ....................................................................... 779
F. Aguilar, S. Aledo, P. Vicente Quiles
Evaluation of a system of refrigeration solar for cherry, based onphotovoltaic energy for Chillan city in Chile ..................................................................................... 789
C. sepúlveda, g. Merino, f. Pino, J. Canumir
Photovoltaic solar cooling as rural business in the tropics ............................................................... 799
V. torres, K. Meissner, a. Coronas, J. Müller
Análisis experimental de la contribución solar fotovoltaica parala producción de ACS en viviendas mediante bomba de calor.......................................................... 807
F.J. Aguilar, S. Aledo, P. Vicente Quiles
Thermal and photovoltaic solar cooling: A comparative study ........................................................ 817
D. Martínez-Maradiaga, C. Sepúlveda, A. Coronas10
Sistemas de refrigeración por absorción apoyados en captadores solares de concentración .......... 827
J. Muñoz, J.A. Benítez, P. Bordogna
Theoretical model of a direct-expansion solar assisted heat pump: model results to constant and variable condensing temperature .................................................... 838
A. Moreno-Rodríguez, A. gonzález-Gil, N. García-Hernando, M. Izquierdo
Modelado y simulación del calentamiento de aire en invernaderos utilizandocolectores solares planos ................................................................................................................. 848
A. Zacarías, A. Flores, M. Venegas, I. Carvajal
Numérical model for the calculation of integrated heat pump and solar thermal systems for combined heating and domestic hot water applications .............................................. 857
R. Cònsul, J. Cadafalch, L. Piedra van Dommelen, J. Montserrat
Influencia de los parámetros de diseño y de operación de captadores Fresnelen una instalación de refrigeración solar ......................................................................................... 864
f.J. Pino, C. sepúlveda, f. Rosa, J. guerra
Capítulo 11. PROCESADO DE ALIMENTOS - EFICIENCIA ENERGéTICA
Pág.
Congelación electromagnética: estado actual .................................................................................. 872
A.C. Rodríguez, L. Otero, M. Pérez-Mateos, J. Sánchez, E. Puértolas, I. Martínez-
Marañón, J.A. Cobos, P.D. Sanz
Innovative technology for preparing frozen complex ingredients to be used inthe assembling cuisine, with enhancements in energy efficiency and quality ................................. 880
S. Soto Jover, M.D. Rizo, M. Boluda Aguilar, A. López Gómez
Impact of storage temperature on quality of early-ripening peaches cultivatedunder deficit irrigation ..................................................................................................................... 889
N. Falagán, E. Aguayo, P.A. Gómez, F. Artés-Hernández, W. Conejero, F. Artés
Refrigeration load in cold rooms for long-term storage of apple and pear.A reassessment for new postharvest treatments ............................................................................. 894
Domingos P.f. almeida
The microwave heating enhances the energy efficiency and food safety whenpreparing frozen breaded meals ....................................................................................................... 898
S. Soto Jover, M. Boluda Aguilar, A. López Gómez
Análisis del comportamiento de las temperaturas en una cámara comercialen distintos regímenes de trabajo .................................................................................................... 904
S. Castillo, J.M. Valverde, M. H. Diaz-Mula, D. Valero, D. Martinez-Romero
Consumos energéticos en la obtención de lactosuero crioconcentrado .......................................... 908
E. Hernández, M. Raventós
11
Vida útil del brócoli Bimi mínimamente procesado desinfectado con ácido peracético y agua ozonizada ................................................................................................................................. 917
J. Navarro, G.B. Martínez-Hernández, P. Gómez, F. Artés-Hernández, F. Artés
Efecto del enfriamiento por agua en alcachofas .............................................................................. 924
J.M. Ruiz-Jiménez, F. Guillen, Mª. Serrano, S. Castillo, P. Zapata
Computational tool for the energy efficiency assessment of cheese industries.Case study of inner region of Portugal ............................................................................................. 928
D. neves, P.D. gaspar, P.D. silva, L.P. andrade, J. nunes
Application of plant essential oils to control of pathogens in refrigerated RTE meat products ....... 938
Marta Sánchez-Rubio, Rita María Cava-Roda, Amaury Taboada-Rodríguez,Vera Antolinos-López, Dorotea López-Molina, Fulgencio Marin-Iniesta
Estimación del ahorro energético anual en refrigeración para almacenes con el uso demuelles de carga hinchables frente a los muelles de carga tradicionales ........................................ 944
Emilio José Sarabia, Víctor M. Soto, José Manuel Pinazo
Comparativa de modelos numéricos para la determinación de la pérdida de presión yla eficiencia de captura en separadores de gotas de lamas ............................................................. 953
J. Ruiz, A.S. Kaiser, M. Lucas, B. Zamora, C.G. Cutillas
The intelligent packaging systems based on RFID tags enabled as gas sensors could enhance the food chain sustainability for refrigerated foods ........................................................... 964
A. López, F. Cerdán, C.A. Díaz, J. López-Coronado, J. Suardíaz, M. Boluda
Simulation of industrial processes of salami drying using CFD (Comsol) and IRTAsim ..................... 974
J. Comaposada, I. Muñoz, J. Arnau
Effect of Lactobacillus paracasei on the growth of pathogens in refrigeratedfresh salads of sliced tomatoes ......................................................................................................... 984
Amaury Taboada-Rodríguez, Rita María Cava-Roda, Marta Sánchez-Rubio,Dorotea López-Molina, Krasimir Zidarov, Yordanka Kartalska, Fulgencio Marin-Iniesta
Antimicrobial activity of mixtures of cinnamon bark and clove EOs againstL. monocytogenes y E. Coli O157:H7 in refrigerated pasteurised milk ............................................. 989
Rita María Cava-Roda, Amaury Taboada-Rodríguez, Marta Sánchez-Rubio,Dorotea López-Molina, Fulgencio Marín-Iniesta
Combining refrigeration and active packaging systems extends the shelf-life of freshfruits and vegetables, and enhances the food chain sustainability .................................................. 994
A. López, M. Boluda, S. Soto Jover
Capítulo 12. tRigeneRaCión
Pág.
Evaluación teórico-experimental de eyectores aplicados a refrigeración
con energías alternativas ................................................................................................................. 1003
J. García del Valle, J.M. Saiz Jabardo, F. Castro Ruiz, J.F. San José Alonso12
Configurations, performance and working fluids for new absorption power and cooling cycles .... 1015
D. s. ayou, J. C. Bruno, a. Coronas
Integration of scroll expanders in absorption refrigeration systemsto produce mechanical power ......................................................................................................... 1024
L.C. Mendoza, S. Quolin, J. Navarro-Esbrí, J.C. Bruno, A. Coronas
Integración de la cogeneración en el sector residencial en España
tras la reforma del CTE de 2013 ....................................................................................................... 1034
J.I. Linares, B.Y. Moratilla
13
Capítulo 11
PROCESADO DE ALIMENTOS
EFICIENCIA ENERGÉTICA
871
Congelación electromagnética: estado actual
A.C. Rodríguez1, L. Otero1, M. Pérez-Mateos1, J. Sánchez2, E. Puértolas3, I. Martínez-Marañón3, J.A. Cobos4 y P.D. Sanz1*
1INNOTECHFOOD. Instituto de Ciencia y Tecnología de Alimentos y Nutrición (ICTAN-CSIC). c/ José Antonio Novais, 10, 28040 Madrid
2Departamento de Química Física I. Facultad de Ciencias Químicas. UCM. Avda. Complutense s/n. 28040 Madrid
3AZTI-Tecnalia. Astondo Bidea, Edificio 609. Parque Tecnológico de Bizkaia. Derio (Bizkaia)
4Centro de Electrónica Industrial (CEI-UPM), c/ José Gutiérrez Abascal, 2, 28006 Madrid
*Autor principal: [email protected]
Palabras clave: congelación electromagnética, CAS, alimentos
Introducción
Una de las técnicas más extendidas para aumentar la vida útil de los alimentos es la congelación. Esta consiste básicamente en la disminución de la temperatura del producto por debajo de su punto de congelación, lo que provoca la cristalización del agua contenida en los alimentos [1]. Este proceso da lugar a la formación de cristales de hielo que difieren en tamaños según la tasa de nucleación y la velocidad de extracción de calor [2]. La presencia de cristales de gran tamaño puede producir daños en la estructura de los alimentos, provocando alteraciones en la textura y una importante pérdida de agua durante la descongelación [3, 4]. Una tasa de nucleación baja da lugar a pocos núcleos de hielo que, durante el cambio de fase, crecerán hasta formar cristales de gran tamaño. Por el contrario, si la tasa de nucleación es alta, se forman muchos núcleos de hielo y, si la velocidad de extracción de calor es elevada, éstos darán lugar a muchos cristales de hielo, pero de pequeño tamaño. Por tanto, con tasas de nucleación altas y velocidades adecuadas de extracción del calor, se conseguirán cristales de pequeño tamaño, que provocarán menores daños en la calidad de los alimentos.
La estrategia seguida tradicionalmente ha sido el incremento de la velocidad de extracción de calor, de acuerdo a las recomendaciones del Instituto Internacional del Frío, dirigidas a la producción de cristales de hielo pequeños. Así, dichas estrategias, se han centrado por una parte en la preparación de los productos para favorecer su rápida congelación; y, por otra, en el desarrollo de equipos y métodos capaces de conseguir temperaturas muy bajas y/o mejorar la transmisión de calor, como es el caso de la congelación criogénica, la congelación criomecánica o los sistemas de congelación individual ultra-rápida, denominados IQF (del inglés:“Individual Quick Freezing”). El problema de los métodos tradicionales, basados en aumentar la velocidad de extracción de calor, es que si se aplican a productos de gran tamaño, no son eficaces, ya que se produce inicialmente la nucleación sólo en la superficie del producto, y conforme avanza la congelación, el agua se une a estos pocos núcleos, dando lugar a cristales de gran tamaño. Para incrementar la tasa de nucleación, se han empleado tecnologías físicas emergentes, como pueden ser la aplicación de ultrasonidos, alta presión y campos electromagnéticos [1].
872
En este trabajo de revisión, se muestra una breve descripción del estado del arte de la congelación electromagnética centrada en el área de tecnología de alimentos. A pesar de que las primeras patentes y prototipos que usan dicha técnica aparecieron hace más de una década [5, 6] y que, existen equipos comerciales, la información existente sobre el funcionamiento de la tecnología y los equipos, así como sus efectos sobre la calidad de los alimentos, es muy escasa e, incluso, a veces, con resultados contradictorios. Por ello, se hace patente la necesidad de llevar a cabo rigurosos proyectos de investigación que sustenten las propiedades de esta técnica innovadora.
La congelación electromagnética surge dirigida a aprovechar las propiedades eléctricas y magnéticas del agua como principal componente de los alimentos. El agua presenta una constante dieléctrica alta, debida por una parte al carácter dipolar de la molécula de agua, y por otra parte, a los puentes de hidrógeno, que transmiten los cambios de orientación debidos al campo aplicado. Desde el punto de vista magnético, el agua es un material diamagnético, presentando una susceptibilidad magnética negativa y pequeña. Así, en presencia de un campo magnético externo (B), se inducen momentos magnéticos que se oponen al campo aplicado, haciendo que el campo magnético resultante en el interior del alimento sea despreciable. Esto hace pensar que el campo magnético en sí, no actúa sobre al agua, aunque en el caso de un campo magnético variable inducirá la formación de un campo eléctrico secundario, que quizás sí podría afectar a la congelación.
Patentes sobre congelación electromagnética
Los primeros equipos de congelación electromagnética se empezaron a utilizar en Japón en alimentos de alto valor añadido, y cuya presencia en los mercados en estado fresco está sujeta a cierta temporalidad, como es el caso del atún rojo. De tal modo, aproximadamente la mitad de los equipos se emplean en la congelación de pescado; si bien, esta tecnología se utiliza en otras matrices alimentarias especialmente sensibles a la congelación, como masas de panadería, salsas, hortalizas y preparados de sushi [1]. Existen varias patentes basadas en la aplicación de la técnica de congelación electromagnética, que han sido desarrolladas por grupos de investigación pertenecientes a universidades o empresas, y que aplican diversas condiciones de campos durante el proceso de congelación, como se muestra en la Tabla 1. La empresa ABI fue pionera en la venta de este tipo de equipos, poseyendo varias patentes en Japón, Europa, EE.UU., China y Australia, por lo que, el sistema CAS (del inglés “Cell Alive System”) de ABI es quizá el más conocido.
En la patente de Kosuke y col. (2000) [5], de las compañías Airtech Japan LTD y Techno Sangyo KK, se muestra un método de congelación basado en la resonancia magnética nuclear. El producto se congela en presencia de un campo magnético estático, generado por imanes permanentes. Para conseguir la resonancia magnética, a su vez se aplican, de forma continua o intermitente, ondas electromagnéticas de una frecuencia determinada, generadas a través de un oscilador y una antena. El congelador también se acompaña de un sistema para el filtrado y saneamiento del aire, que se aplicaría previamente al inicio de la congelación, para disminuir la carga microbiana. En dicho proceso, los núcleos de los átomos de hidrógeno de las moléculas de agua, se orientarían en presencia del campo magnético estático, adquiriendo un movimiento de precesión alrededor de la dirección de dicho campo. La frecuencia de precesión (ω) viene dada por la ecuación de Larmor, en la que γ es el factor giromagnético, que depende del tipo de núcleo (para el hidrógeno es de 42.6 MHz/T) y B es el campo magnético estático: ⋅ . Dado el valor del campo (B), al aplicar ondas electromagnéticas a la frecuencia calculada (ω), se producirá la resonancia magnética de los
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CAMPO ELÉCTRICO CAMPO MAGNÉTICO ONDAS ELECTRO-
MAGNÉTICAS PRODUCTOS
CONTINUO ALTERNO CONTINUO ALTERNO ALTERNO
Kosuke y col. (2000) [5] - - X - X(1)
Owada y Kurita (2001) [6]
Patentado 100-1000 kV/m 100-1000 kV/m 1-20 000 G 1-100 G / 50-60 Hz -
Ensayado - 600 kV/m 100 G 5 G / 50-60 Hz - Atún, sardina, cerdo, zumos, vinos, naranjas y pasteles
Owada (2004) [7]
Patentado - 10-500 kV/m 50 Hz-5 MHz
(250 kHz-3 MHz) 1-10 000 G 1-1000 G / 50-60 Hz -
Ensayado - 15 kV/m
250 kHz, 3 MHz (50 Hz - 5 MHz)
10 G 5 - 7 G / 50 Hz - Pollo y atún
Fujisaki y Amano (2012) [8] - - 100-150 G - 600 kHz-1 MHz
Mihara y col. (2012) [9]
Patentado - - - 0.1-4 G / 1-10 kHz
(2G / 2kHz) -
Ensayado - - - 1.2 G / 0-200 kHz* 1 - 2 G / 2 kHz** 8 G / 2 kHz***
- Agua*
Ratas** Proteínas***
Tabla 1. Condiciones aplicadas en patentes de congelación electromagnética. Entre paréntesis se muestran las condiciones recomendadas de trabajo. Donde X significa valor no reportado. (1) Frecuencia dependiente de la intensidad del campo magnético continuo, según la fórmula de Larmor.
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CAMPO ELÉCTRICO CAMPO MAGNÉTICO ONDAS ELECTRO-
MAGNÉTICAS
PRODUCTOS
CONTINUO ALTERNO CONTINUO ALTERNO ALTERNO
Tamura y Matsushita (2002) [10] - - 15 – 20 G(*) 15–20 G(*) / 5-40 Hz - Pechuga de pollo,
calabaza, zanahoria, esparrago
Suzuki y col. (2009) [11] - - 200 G 1 5 G / 50 Hz
1.2 G / 1 MHz 1 -
Verduras Pescados
Gel de agar
Watanabe y col. (2001) [12]
- - 5, 10, 20 y 100 G(*) 5, 10, 20 y 100 G(*) - Agua
- - 200 G 1 5 G / 50 Hz
1.2 G / 1 MHz 1 -
Verduras Pescados
Gel de agar
Tabla 2. Condiciones aplicadas en estudios experimentales de congelación electromagnética. (*) Tipo de campo magnético no reportado. (1) Ensayo de resonancia magnética nuclear.
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núcleos de hidrógeno, pudiéndose incrementar notablemente el nivel de subenfriamiento obtenido. No se presentan resultados experimentales en la patente, aunque se dice que se llegan a temperaturas de -40 °C o inferiores sin que comience la congelación, reduciéndose los gradientes de temperatura entre la superficie y el centro de los alimentos a congelar, e impidiendo el crecimiento de grandes cristales de hielo. Estas afirmaciones resultan sorprendentes, ya que, a presión atmosférica, la temperatura de nucleación homogénea del agua pura es de -40 °C.
Frente a este método basado en la resonancia magnética nuclear, en la patente de Owada y Kurita (2001) [6], de la compañía ABI, se presenta un método y un equipo que se basan en la aplicación de un campo magnético oscilante de baja frecuencia (Tabla 1). Este campo es una onda sinusoidal que oscila en torno a un valor distinto de cero (por tanto, con una parte continua y otra alterna). La componente continua de dicho campo se genera mediante imanes permanentes; a ésta se le superpone un campo oscilante inducido, paralelo al campo permanente, creado a través de bobinas. Según se establece en la patente, el objeto de que el campo sea variable es minimizar la reacción que se opone al campo estático, tendiendo a neutralizarlo (lo que ocurre en materiales diamagnéticos). Asimismo, se añaden dos o más placas de electrodos para aplicar un campo eléctrico (alterno o continuo). La patente describe que el campo magnético actúa sobre la congelación de alimentos de dos formas distintas. Por un lado, alinea los momentos magnéticos de los espines electrónicos y nucleares en la dirección del campo, aumentando la vibración e inhibiendo de este modo el inicio de la congelación, que se produce o bien a temperaturas más bajas o bien cuando cesa la aplicación del campo. Y por otra, parte, se reduce el tamaño de las agrupaciones de moléculas de agua, aumentando de este modo la proporción de agua ligada a estructuras terciarias, es decir, agua ligada no congelable. Según dicha patente, en cuanto al efecto del campo eléctrico parece que actúa aumentando el número de electrones libres, lo cual, origina especies intermedias (radicales como el anión superóxido O2
- y lo que los autores denominan “electron-imparted water”) que destruyen las membranas celulares de los microorganismos, reduciendo así la carga bacteriana del producto a congelar. En los resultados de congelación ensayados según las condiciones experimentales de la patente (Tabla 1), se presenta una gráfica que muestra una mayor tasa de enfriamiento en la etapa de atemperamiento mediante la congelación electromagnética frente a la congelación sin aplicar campos.
En esta misma patente, se comparó la calidad de distintos alimentos descongelados, después de someterlos a congelación convencional o a electromagnética y de ser conservados durante 4 meses a -50 °C. En las condiciones ensayadas sobre músculo de atún, sardina y cerdo, y según los autores, se redujo el exudado, los cambios de color y mal olor que aparecen en la congelación convencional (datos no mostrados en la patente) y la carga microbiana. Asimismo, al contrario de lo que pasaba en el método tradicional, no se dieron cambios de color y olor en naranjas; ni de forma y sabor en pasteles; ni hubo separación de fases en zumos ni en vinos.
Una posterior patente de Owada (2004) [7], también de ABI, muestra un equipo en el que se utiliza un campo eléctrico y/o un campo magnético. El campo eléctrico es oscilante, generado mediante dos o más pares de electrodos (Tabla 1). A su vez, el campo magnético puede ser estático (generado por imanes permanentes), variable (haciendo circular corriente alterna por bobinas) o una combinación de ambos. La orientación relativa de los distintos campos parece no tener importancia en esta patente. Respecto a la patente anterior [6], se logra una mayor uniformidad del campo magnético variable, por un mejor emplazamiento de las bobinas. Se afirma que tanto la acción del campo eléctrico como del campo magnético impiden la
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nucleación del hielo; mientras que una acción combinada de ambos reduce la cantidad de agua congelable, dificultando la cristalización, lo que, según los autores, incrementa la transmisión de calor hacia el interior del producto a congelar. Esto resulta sorprendente, teniendo en cuenta que la conductividad térmica del hielo es mayor que la del agua líquida. La congelación instantánea se produciría al cesar la aplicación del campo eléctrico. También se comenta que la menor formación de cristales de hielo se da a las frecuencias de campo eléctrico de 250 kHz en el rango de -2 a -10 °C y de 3 MHz entre -30 y -60 °C, por lo que se alude a un posible control de la frecuencia por etapas. Para validar este equipo, se presentan los resultados de pruebas de congelación en músculo de pollo y atún, realizadas en distintas condiciones de presencia o ausencia tanto de campos eléctrico y magnético como de otros mecanismos del equipo desarrollado (Tabla 1). Los resultados se presentan en tablas por medio de símbolos, sin valores numéricos, de tal modo que no se puede determinar si existen diferencias significativas; aunque los autores indican que se logra reducir el tiempo de congelación y se obtiene una calidad excelente, sin destrucción de células ni pérdidas de color o sabor.
Por su parte en la patente de Fujisaki y Amano (2012) [8], de Ryoho Freeze-Systems Corporation, se aplica una onda electromagnética y un campo magnético estático uniforme en dirección perpendicular a la de propagación de la misma (Tabla 1). Para producir la onda electromagnética se dispone de una o dos antenas transmisoras bobinadas. El campo magnético se genera a partir de imanes permanentes. Se apunta a la acción del campo magnético estático, en el que las moléculas de agua se encontrarían ordenadas en una dirección constante (lo cual no demuestran), junto con la onda electromagnética, que haría vibrar continuamente dichas moléculas, como posible mecanismo de actuación sobre los productos a congelar, limitando el crecimiento de los cristales de hielo y la destrucción celular. Parece más lógico, sin embargo, que dados los valores del campo magnético y de la frecuencia de la onda electromagnética, se esté actuando a través de la resonancia magnética nuclear, pero no se nombra la misma en dicha patente. No se muestran resultados, pero se afirma que con el sistema introducido, no se ve afectado el estado de frescura de los alimentos, después de congelar y descongelar los mismos, manteniendo muy buen color, especialmente en alimentos perecederos como carnes o pescados.
En la congelación electromagnética presentada en la patente de Mihara y col. (2012) [9], de la Universidad de Tokio, sólo utilizan un campo magnético variable. Dicho campo se induce mediante la circulación de una corriente alterna en una bobina. Las tasas de enfriamiento van de 0.1 a 1 °C/min., siendo la óptima de 0.5 °C/min.
Con este sistema, realizaron una comparación de los subenfriamientos obtenidos en suero fisiológico, al aplicar campos magnéticos de diferentes frecuencias (Tabla 1). No aparecen diferencias significativas entre las frecuencias ensayadas. Parece, sin embargo, que hay una tendencia a que el mayor subenfriamiento se produzca para el caso de 2000 Hz, por lo que se compararon campos de esta frecuencia, con otros de menor valor. Así, congelando ratas enteras con campos de 1 ó 2 G de 100 Hz o menor frecuencia, o con nitrógeno líquido (sin campo), se obtuvo un mayor deterioro de los tejidos analizados (cerebro, intestino delgado y alveolos pulmonares) que con el campo de la misma intensidad a 2000 Hz. Realizaron otro experimento, con campos de 8 G, de 30 Hz y 2000 Hz, donde se observó una menor desnaturalización de proteínas para el caso de 2000 Hz.
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Publicaciones de congelación electromagnética
La mayoría de la bibliografía existente está realizada sobre tejidos y órganos [10, 11]. Existiendo, como se ha comentado anteriormente, escasas referencias sobre la congelación electromagnética de alimentos.
Tamura y Matsushita (2002) [12] realizaron experimentos con un equipo de ABI, aplicando campos magnéticos, no indican si continuo o alterno, sobre diferentes alimentos (Tabla 2). Sus resultados, si bien muestran algunas mejoras, sobre todo en la reducción de cavidades (que indican la huella de los cristales de hielo) en los tejidos animales, no son resultados tan contundentes como los que se esperaban, no encontrándose apenas diferencias en verduras con gran volumen de agua. En el caso de músculo de pollo, las diferencias se apreciaron tan sólo tras su conservación en estado congelado durante seis meses y medio.
Suzuki y col. (2009) [13] realizaron también estudios para comprobar la eficacia de la congelación electromagnética sobre diversos alimentos (Tabla 2) mediante la aplicación de campo magnético alterno o resonancia magnética nuclear. El análisis de las curvas de congelación, en las que se medían la temperatura en la superficie y en el centro de los productos, no mostró ningún efecto producido por la aplicación de campos magnéticos respecto a la no aplicación, obteniéndose curvas muy similares. Tampoco los parámetros de calidad (color, exudado, textura) indicaron diferencias entre la congelación convencional y la electromagnética.
Posteriormente, Watanabe y col. (2011) [14] compararon las curvas de congelación de agua pura y de disoluciones acuosas de NaCl y tampoco observaron diferencias con o sin campo. Además, en emulsiónes de agua en aceite no obtuvieron ninguna mejora en la temperatura de subenfriamiento utilizando campos magnéticos.
Conclusiones
Según lo expuesto en las patentes, la congelación electromagnética podría mejorar la calidad de los alimentos congelados, acercándose a la calidad de los productos frescos. Sin embargo, no se especifican en dichas patentes, los procesos físicos que tienen lugar durante la congelación en presencia de campos eléctricos o magnéticos, planteándose tan sólo hipótesis sin llegar a la base científica. Asimismo, en ninguna de ellas se presentan resultados numéricos que acrediten una mejora notable de la calidad, respecto a la de la congelación convencional.
Por el contrario, en los pocos trabajos existentes de congelación electromagnética de alimentos, no se encuentran diferencias significativas, ni en las curvas de congelación, ni en las carácteríticas de calidad de distintos alimentos, respecto a la congelación convencional.
De esta forma, se hace necesario seguir estudiando la efectividad de los campos electromagnéticos aplicados a la congelación, además de determinar cuáles serán las mejores condiciones a nivel de campos aplicados, dinámica de la transmisión del calor, y tipo de alimentos, para llegar a una congelación optimizada.
Agradecimientos
Este trabajo ha sido financiado por el MINECO español, mediante el proyecto AGL2012-39756-C02-01. Este Organismo, a través del CSIC, financia también el Contrato Predoctoral de A.C. Rodríguez.
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Referencias
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