Extracción de aire y monitoreo de concentración de oxígeno en congeladores rápidos de nitrógeno líquido: a dónde va el nitrógeno y cómo se fijan los valores de alarma
Al elegir un congelador rápido de nitrógeno líquido, la discusión se centra en la velocidad de enfriamiento, la precisión del control de temperatura y cuántos kilogramos por hora se producen. Hay una pregunta que pocas veces se hace: el nitrógeno líquido que se consume cada día, después de gasificarse, ¿a dónde va.
El nitrógeno líquido se gasifica dentro del gabinete, cede el frío a los alimentos y, una vez que la temperatura sube, debe evacuarse. En los modelos de gabinete, el orificio de escape está en la parte posterior del equipo y el conducto de extracción debe conectarse al exterior. En los planos, este paso suele ser solo una línea discontinua, y en obra a menudo se resuelve con un tramo de manguera flexible hasta la ventana.
Problema
La tabla de parámetros muestra la temperatura, pero nadie se ocupa del nitrógeno
El punto de ebullición del nitrógeno líquido a presión atmosférica es -196℃, y el rango de temperatura de trabajo dentro del gabinete está indicado de -150℃ a temperatura ambiente. Este rango indica hasta qué punto puede enfriar el equipo, no indica hacia dónde va el nitrógeno.
La densidad del nitrógeno gasificado es ligeramente superior a la del aire; en ausencia de viento, se deposita y acumula en el suelo, zanjas y zonas bajas, desplazando el oxígeno. En el aire normal, el oxígeno representa aproximadamente el 20.9%; cuando desciende por debajo del 19.5%, la capacidad de juicio de las personas comienza a verse afectada, y si sigue bajando, se puede perder la conciencia en poco tiempo. La hipoxia no tiene olor ni irritación, la persona no la percibe, solo se detecta con instrumentos.
Lo que se ve comúnmente en obra son dos cosas
Una es que el instrumento está instalado pero no en funcionamiento. El medidor de concentración de oxígeno está montado en la pared, pero el circuito de alarma no está conectado, o la sonda está vencida y sin calibrar. La otra es que el ventilador de extracción se detuvo y nadie lo sabe. En talleres de baja temperatura, el rodete y el motor del ventilador de extracción tienden a escarcharse y congelarse; el caudal de aire cae, pero el motor sigue sonando y el operador cree que está extrayendo, cuando en realidad la sala de congelación rápida ya está acumulando nitrógeno.
Cuando ambas cosas se superponen, se convierte en una causa común de accidentes. En noviembre de 2023, el Departamento de Gestión de Emergencias de la provincia de Hubei publicó la «Guía de gestión técnica de seguridad para empresas con líneas de túneles de congelación rápida con nitrógeno líquido (prueba)», motivada por un accidente de asfixia por concentración excesiva de nitrógeno ocurrido en mayo de ese año en la sala de congelación rápida de una empresa alimentaria local, donde coincidieron una extracción deficiente, el cierre indebido del aire fresco y la no puesta en servicio del dispositivo de alarma de concentración de oxígeno (fuente: portal del Gobierno Popular de la provincia de Hubei).
El objeto de aplicación de dicha «Guía» son las líneas de túneles de congelación rápida con nitrógeno líquido, pero varias de sus prácticas son igualmente válidas para equipos de gabinete: instalar en la zona de producción detectores fijos de concentración de oxígeno con alarma sonora y luminosa y visualización de lectura en sitio, con valores de alarma determinados según la «Norma de seguridad para trabajos en condiciones de peligro de hipoxia» (GB 8958-2006); mantener la zona de congelación rápida en ligera presión negativa para evitar que el nitrógeno en concentración excesiva no se difunda; interconectar el sistema de extracción con el arranque y parada del equipo, de modo que antes de encender se active primero la extracción y tras la parada se cierre con retardo; instalar válvulas de corte de emergencia en las tuberías de nitrógeno líquido que entran al taller; y dotar al ventilador de extracción de monitoreo continuo de corriente y alarma. La forma de operación de los modelos de gabinete difiere de la de las líneas de túnel (apertura intermitente, funcionamiento independiente por unidad), pero la ruta de fuga de nitrógeno y descenso de la concentración de oxígeno es la misma.
Fuentes en internet:
- Portal del Gobierno Popular de la provincia de Hubei, Departamento de Gestión de Emergencias, «Aviso sobre la impresión y distribución de la Guía de gestión técnica de seguridad para empresas con líneas de túneles de congelación rápida con nitrógeno líquido (prueba)» http://www.hubei.gov.cn/yj/202311/t20231128_4973143.shtml
- Sitio web del Departamento de Gestión de Emergencias de la provincia de Hubei, reproducción de un reportaje de «Hubei Daily» http://yjt.hubei.gov.cn/fbjd/dtyw/mtbd/sjmt/202405/t20240523_5214441.shtml
Principios y parámetros clave
El frío de la congelación rápida con nitrógeno líquido proviene de dos partes: el calor absorbido por la gasificación del nitrógeno líquido y el calor sensible del nitrógeno a baja temperatura. Según la densidad del nitrógeno líquido de aproximadamente 808 kg/m³ y la densidad del nitrógeno gaseoso a temperatura y presión normales de aproximadamente 1.25 kg/m³, 1 litro de nitrógeno líquido completamente gasificado se convierte en aproximadamente 0.65 metros cúbicos de nitrógeno. Por cada litro de nitrógeno líquido que entra al gabinete, hay aproximadamente 0.65 metros cúbicos de gas que deben evacuarse de la sala de congelación rápida. Este volumen no puede ser absorbido por el equipo mismo, solo puede extraerse.
La estructura y los parámetros del lado del equipo relacionados con la extracción y la seguridad son los siguientes, tomados de los protocolos técnicos de los distintos modelos de Kunning Cryo congelador rápido de nitrógeno líquido:
| Ítem | LFC-300 | LFC-600 | LFC-1200 | LFC-1500 |
|---|---|---|---|---|
| Forma estructural | Gabinete con apertura manual | Gabinete con apertura manual | Gabinete con apertura lateral, cuatro zonas | Gabinete, dos zonas |
| Presión de nitrógeno líquido | 5-8 bar | 5-8 bar | 6-8 bar | 6-8 bar |
| Control de flujo de nitrógeno líquido | Válvula solenoide de nitrógeno líquido criogénico importada | Válvula proporcional de nitrógeno líquido criogénico importada | Válvula proporcional | Válvula neumática criogénica de nitrógeno líquido importada |
| Ubicación del orificio de escape | Parte posterior del equipo | Parte posterior del equipo | Parte posterior del equipo | Parte posterior del equipo |
| Medidor de concentración de oxígeno | No listado en la tabla de parámetros técnicos | No listado en la tabla de parámetros técnicos | Valor de ajuste 19.5%-21.5% | Valor de ajuste 19.5%-21.5% |
| Interruptor de parada de emergencia | No listado en la tabla de parámetros técnicos | No listado en la tabla de parámetros técnicos | Sí | Sí |
| Motor de circulación | 3 motores externos sellados resistentes a baja temperatura | 3 motores externos sellados resistentes a baja temperatura | Motor externo sellado resistente a baja temperatura | Motor resistente a la humedad, antiexplosión y a baja temperatura |
| Potencia total del equipo | 2.5 kW | 5 kW | 12 kW | 5 kW |
Algunas aclaraciones:
- El orificio de escape está en la parte posterior del equipo, con el objetivo de que la dirección de escape evite la cara de operación y que el agua de condensación no gotee sobre las bandejas. Esto también determina que el conducto de extracción salga por la parte posterior del gabinete, y en obra debe reservarse este tramo de tubería y el espacio de mantenimiento.
- El valor de ajuste del medidor de concentración de oxígeno parte de 19.5%, consistente con el criterio de determinación de trabajos en condiciones de peligro de hipoxia de la GB 8958-2006 (norma citada por la mencionada «Guía»). El medidor integrado en el equipo cubre el punto cercano al cuerpo del gabinete; los puntos de alarma a nivel de taller deben distribuirse por separado.
- Al ser diferente el componente de control de flujo de nitrógeno líquido, la tasa de generación de nitrógeno también difiere. La válvula solenoide es de control de encendido/apagado, la válvula proporcional regula de forma continua según la apertura; en modelos de gran capacidad y múltiples zonas, la válvula proporcional facilita mantener el flujo al nivel requerido por el proceso.
- El motor de circulación es externo y transmite la potencia al interior de la cámara mediante un eje de acero inoxidable alargado, con el objetivo de que el motor no permanezca mucho tiempo en baja temperatura; la selección del motor externo debe plantearse según requisitos de resistencia a la humedad, a baja temperatura y, cuando sea necesario, antiexplosión.
Puntos clave de selección y configuración
Primero calcular el caudal de extracción, luego elegir el ventilador de extracción. Estimar la generación de nitrógeno según el consumo de nitrógeno líquido por lote, determinar el número de renovaciones de aire y el caudal del ventilador en función del volumen de la sala de congelación rápida, y conectar la salida del conducto de extracción al exterior. Los equipos de gabinete suelen usarse de forma intermitente; calcular según el número de unidades en funcionamiento simultáneo, sin tomar «en general no estarán todas encendidas» como premisa.
Dejar corte de emergencia en el lado de la tubería. Instalar una válvula de corte de emergencia en la tubería de nitrógeno líquido que entra a la sala de congelación rápida, y equipar el lado del equipo con botón de parada de emergencia. Los gabinetes LFC-1200 y LFC-1500 incluyen interruptor de parada de emergencia; la válvula de tubería es un complemento del lado del usuario, y al elaborar el plan de sitio debe especificarse claramente este punto.
Distribuir las sondas de concentración de oxígeno en puntos bajos y establecer dos niveles de alarma. El nitrógeno se acumula en zonas bajas; colocar las sondas a la altura de la zona de respiración refleja mejor el riesgo real que instalarlas en el techo. El umbral de alarma se toma en 19.5% según el criterio de la GB 8958-2006, y se establece además un valor de evacuación más bajo. Las sondas deben calibrarse periódicamente, y los registros de verificación y calibración deben incorporarse al expediente del equipo.
El ventilador de extracción debe poder monitorearse. Añadir monitoreo continuo de corriente y alarma al sistema de extracción, de modo que cuando caiga el caudal se alerte primero, en lugar de esperar a que alguien sienta mareo. Esto es especialmente necesario en talleres de baja temperatura, donde la escarcha en el rodete es un fenómeno común.
La detección dentro del gabinete y la detección en la sala deben establecerse por separado. El medidor de concentración de oxígeno integrado en el equipo se interconecta con el equipo y cubre la zona cercana a la puerta del gabinete; la concentración de oxígeno del aire del taller debe contar con otro instrumento de alarma fijo. Ambos no pueden sustituirse mutuamente.
Confirmar con antelación las condiciones del sitio. El tanque de nitrógeno líquido lo proporciona el comprador; la tubería de nitrógeno líquido, el conducto de extracción y la base del tanque deben completarse antes de la entrada del equipo; el cableado entre la línea principal de alimentación y el tablero de control eléctrico lo tiende el comprador, y los modelos de gabinete están diseñados para 380V. El orificio de escape está en la parte posterior del gabinete; el trazado del conducto de extracción debe evitar los pasillos de personal.
Incorporar la frecuencia de apertura de puertas al procedimiento de operación. En los modelos de apertura manual, cada cambio de lote de material implica un tiempo con la puerta del gabinete abierta, durante el cual el nitrógeno se escapa. En líneas con muchos tipos de producto y cambios frecuentes de lote, debe controlarse el tiempo de apertura y escribirse en el procedimiento de trabajo «confirmar que la extracción está en funcionamiento antes de abrir la puerta».
Escenarios de aplicación
| Industria | Materiales típicos | Enfoque de configuración de extracción y seguridad |
|---|---|---|
| Procesamiento de productos acuáticos | Cangrejo de río, cabeza de pescado, filetes de pescado | Consumo de nitrógeno concentrado por lote, sala de congelación rápida independiente, extracción mecánica dimensionada según el consumo máximo |
| Procesamiento de carne y aves | Carne porcionada, productos porcionados de ave | Variedad relativamente fija, interconexión de extracción y equipo ajustada según el ritmo del turno |
| Comidas preparadas | Paquetes preparados, semielaborados en envasado al vacío | Cambios de lote frecuentes, mayor fuga por apertura; el procedimiento de apertura y la ubicación de sondas en zonas bajas son clave |
| Frutas y verduras | Brotes de bambú, materias primas de frutas y verduras | Consumo de líquido relativamente estable, extracción dimensionada según el consumo medio con margen |
| Cocina central | Platos terminados, comidas preparadas | Cuando la zona de congelación rápida es adyacente a la zona de enfriamiento de alimentos cocidos, la extracción y el monitoreo de oxígeno de ambas zonas deben ser independientes |
Si el producto es comida cocida caliente recién salida de la olla y necesita pasar de un rango de 80 a 90℃ a 0 a 4℃, eso corresponde al ámbito de aplicación de los enfriadores rápidos de circulación forzada de aire frío, cuyo proceso no genera nitrógeno; la extracción se considera según la extracción de cocina y la carga térmica y de humedad, y puede consultarse la descripción del ámbito de aplicación de los enfriadores rápidos de alimentos.
El frío de la congelación rápida con nitrógeno líquido proviene del nitrógeno; si el nitrógeno no se evacúa, se convierte en riesgo. Las dos líneas de la tabla de parámetros correspondientes a la presión de nitrógeno líquido y al medidor de concentración de oxígeno merecen confirmarse punto por punto al firmar el protocolo técnico, igual que la velocidad de enfriamiento; el caudal de extracción, el modo de interconexión y los puntos de alarma pertenecen a la ingeniería de sitio, y cuanto antes se incorporen al plan, menos modificaciones posteriores habrá.
Para verificar la configuración de extracción y monitoreo de concentración de oxígeno según las condiciones de tu sala de congelación rápida, puedes indicar el área y la altura de la sala, el número de equipos en funcionamiento simultáneo, el consumo de nitrógeno líquido por lote y la disposición en planta del sitio; elaboramos el plan de configuración según las condiciones reales: Contáctanos
Necesidades de ilustración: esquema del trazado del conducto de extracción de la sala de congelación rápida, fotografía de la ubicación de instalación del medidor de alarma de concentración de oxígeno, plano de la ubicación de la válvula de corte de emergencia de la tubería de nitrógeno líquido.
Preguntas frecuentes
¿A dónde va el nitrógeno del congelador rápido de nitrógeno líquido? ¿Cómo se fija el valor de alarma de concentración de oxígeno?
El nitrógeno se genera por la gasificación del nitrógeno líquido dentro del gabinete, sale por el orificio de escape de la parte posterior del equipo, y el conducto de extracción debe conectarse al exterior. El valor de ajuste del medidor de concentración de oxígeno integrado en el equipo se toma de 19.5% a 21.5%; el valor de alarma a nivel de taller se toma en 19.5% según el criterio de la «Norma de seguridad para trabajos en condiciones de peligro de hipoxia» (GB 8958-2006), y se establece además un valor de evacuación más bajo.
¿Cuánto nitrógeno produce 1 litro de nitrógeno líquido y cómo estimar el caudal de extracción?
Según la densidad del nitrógeno líquido de aproximadamente 808 kg/m³ y la densidad del nitrógeno gaseoso a temperatura y presión normales de aproximadamente 1.25 kg/m³, 1 litro de nitrógeno líquido completamente gasificado produce aproximadamente 0.65 metros cúbicos de nitrógeno. Este volumen no puede ser absorbido por el equipo mismo; debe estimarse la generación de nitrógeno según el consumo de nitrógeno líquido por lote y, combinándolo con el volumen de la sala de congelación rápida, determinar el caudal del ventilador y el número de renovaciones de aire.
¿Qué diferencias hay entre el LFC-300 y el LFC-1200 en la configuración de extracción y seguridad?
Ambos son modelos de gabinete y el orificio de escape está en la parte posterior del equipo en los dos. En el LFC-300 y el LFC-600, el medidor de concentración de oxígeno y el interruptor de parada de emergencia no están listados en la tabla de parámetros técnicos; en el LFC-1200 y el LFC-1500, el valor de ajuste del medidor de concentración de oxígeno es de 19.5% a 21.5% e incluyen interruptor de parada de emergencia. En cuanto a la presión de nitrógeno líquido, el LFC-300 y el LFC-600 son de 5-8 bar, y el LFC-1200 y el LFC-1500 son de 6-8 bar.