En el momento de la primera reunión de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Refrigeración (ASRE) en 1905, la industria de las pistas de hielo artificial ya había establecido muchos de los principios básicos de diseño que se encuentran en las instalaciones deportivas y de entretenimiento de usos múltiples de la actualidad. Para entonces, habían pasado casi 30 años desde 1876, cuando el profesor John Gamgee inauguró la primera pista de hielo refrigerada mecánicamente (The Glaciarium) en Chelsea en Charing Cross, Londres.

En el número del 18 de marzo de 1876 de All the Year Around, una revista semanal fundada por Charles Dickens, esta primera pista se describía de esta manera. “Se colocaron tuberías de cobre, y por ellas circulaba una mezcla de glicerina y agua después de haber sido enfriada con éter”.

Visite cualquier pista de patinaje moderna y aún encontrará un refrigerante secundario que circula a través de tuberías de acero o plástico incrustadas en el suelo.

Los primeros años

En 1564, más de 200 años antes de que se abriera la pista de patinaje sobre hielo del profesor Gamgee, se llevó a cabo la “Feria de las heladas” en el Támesis de Londres. El evento duraba de enero a marzo de cada año que el Támesis estaba congelado. La última “Feria de las heladas” se llevó a cabo en 1814. Con la construcción de un nuevo Puente de Londres en 1823, el Támesis ahora fluye demasiado rápido para congelarse.

Las pistas de hielo natural dedicadas, tanto al aire libre como bajo techo, fueron desarrolladas por primera vez por clubes de patinaje. El primer club de patinaje se formó en Edimburgo, Escocia, en 1642.

Muchos otros lo siguieron. Los clubes de patinaje llevaron a los inventores a intentar producir una superficie de hielo artificial.

Una edición de 1843 de la revista Punch describe una visita a una pista cerca de Baker Street en Londres donde el hielo no estaba hecho de agua congelada, sino de una granizada de productos químicos que incluían manteca de cerdo y azufre derretido, que olía abominablemente.

Otro intento en Manchester requería que los clientes patinaran sobre una superficie irregular a través de una niebla extremadamente espesa.

El éxito de la pista de Chelsea de 1876 generó muchos otros. El Southport Glaciarium, mucho más grande, de 50 metros por 20 metros*, se inauguró en 1879 y funcionó durante 10 años. Casi de inmediato, surgieron pistas en otros países y se abrieron muchas más en Gran Bretaña. La repentina popularidad del hockey sobre hielo en la década de 1880 indudablemente se sumó a la demanda pública de construcción de muchas pistas de patinaje, pero una cierta cantidad de controversia existe sobre dónde se inventó el deporte.

El lugar de nacimiento del hockey se da en varias publicaciones como Montreal, en 1875; Kingston, ON, Canadá, en 1888; y Halifax-Dartmouth, NS, Canadá, a mediados del siglo XIX. La primera pista de hielo refrigerada mecánicamente construida en los EE. UU. fue construida por Thomas L. Rankin. En 1879, Rankin instaló y operó una pista de hielo de 560 m2 en el Old Madison Square Garden en la ciudad de Nueva York. En un carnaval de gala celebrado la noche del 12 de febrero de 1879, cientos de patinadores enmascarados, vestidos con disfraces fantásticos, llenaron la arena, junto con miles de espectadores. Las luces de innumerables chorros de gas, cientos de luces de colores y los destellos de luces de calcio de diferentes colores ayudaron a la música de Gilmore's Serenade Band a hacer que la escena fuera única.

Más de 100 miembros de Empire y New York Skating Clubs presentaron una declaración en homenaje al Sr. Rankin por crear esta, la primera gran capa de hielo artificial jamás hecha por el hombre y mantenida a una temperatura por encima del punto de congelación.

Diferentes tipos de piso

A partir de 1880, se construyeron muchas pistas de hielo en Europa. En 1891, Linde Ice Machine Co. construyó una pista de hielo en Frankfurt, Alemania, usando circulación de salmuera en las tuberías del piso colocadas en una bandeja poco profunda llena de agua que luego se congelaba.

En noviembre de 1893, Thomas L. Rankin de Chicago obtuvo una patente estadounidense sobre el precursor de las modernas pistas de hielo de hoy en día, con tuberías de enfriamiento incrustadas en una “composición de asfalto u otro cemento adecuado y limaduras o perforaciones metálicas, etc., suficiente para constituir el piso en un buen conductor y llevar el frío a la superficie para producir una capa de hielo rociado con agua”.

Hasta alrededor de 1918, ninguna pista tenía un piso permanente de usos múltiples. La mayoría de las instalaciones colocaron las tuberías sobre largueros de madera sobre suelo nivelado y las tuberías se cubrieron con arena. Hoy en día, las pistas de hielo abiertas durante todo el año a menudo todavía usan tuberías cubiertas de arena en lugar de pisos de concreto debido a los ahorros en costos de capital, además de la accesibilidad adicional a las tuberías refrigeradas.

Después de que se construyó el estadio de Chicago en 1917, se hizo evidente que si el piso de la pista estaba hecho de concreto la instalación podría usarse para muchos propósitos durante todo el año.

Los primeros experimentos se realizaron en 1917 para determinar si era posible refrigerar un piso de concreto para que se formara hielo encima. D.H. Scott realizó muchos experimentos en la pista de patinaje sobre hielo Elysium en Cleveland. Scott fue el inventor del Scott Ice Control System, utilizado por muchas de las pistas en ese momento. El sistema utilizaba termorresistencias eléctricas empotradas en el suelo. Sus investigaciones concretas continuaron el trabajo de Edward Engelmann de Viena, Austria, quien había instalado un piso de pista de hielo permanente en esa ciudad alrededor de 1908.

Engelmann entregó un documento sobre su instalación en 1913 en el Tercer Congreso Internacional de Refrigeración en Washington, D.C., y Chicago, en el que enfatizó la importancia de una losa flotante que pudiera contraerse a medida que bajaba la temperatura de la losa. Después de que Scott completó sus experimentos, se vertió un piso de concreto en la pista Elysium en Cleveland, probablemente el primer piso permanente de una pista de hielo de concreto que se vertió en los Estados Unidos. Otros pisos de concreto siguieron en la arena de Filadelfia y Milwaukee. El Winter Garden, en Milwaukee, presentaba un acabado de terrazo sobre la losa de hormigón.

Por primera vez se instaló un intercambiador de calor para calentar la salmuera para acelerar la eliminación del hielo calentando el suelo. Ambos pisos desarrollaron problemas de agrietamiento porque no fueron construidos para resistir la expansión y contracción.

El siguiente piso de concreto que se construyó fue en el Madison Square Garden, con virutas de acero incrustadas y juntas de expansión separadas aproximadamente 150 cm. El piso se terminó con terrazo y se colocaron tiras de latón en cada junta de dilatación. Investigaciones posteriores de fallas de pisos en la década de 1930 encontraron que el uso de virutas de acero no mejoraba la transferencia de calor y también generaba porosidad en el concreto y la posibilidad de latón en las virutas, lo que aumentaba la probabilidad de corrosión de las tuberías de acero.

En 1929, M.R. Carpenter, miembro fundador de ASRE, diseñó y patentó un nuevo tipo de suelo. El piso se vertió como una losa monolítica sin juntas de dilatación. La primera instalación fue un piso de 25m × 65m en el Casino de Hielo en el Parque de Diversiones Playland en Rye, Nueva York. Se trataba de una pista de recirculación de salmuera que utilizaba dos compresores Frick accionados por motores síncronos.

La capacidad de construir un piso de concreto confiable y sin grietas condujo a la construcción de miles de estadios que podrían usarse para múltiples propósitos. Por ejemplo, desde 1990, todas las instalaciones nuevas de la NBA han incluido una pista de hielo que se puede cubrir con un sistema de tablero aislado cuando se juega baloncesto. Los avances en la ingeniería de pistas de hielo han sido relativamente lentos desde la década de 1930.

Como se indicó anteriormente, existen muchas similitudes entre las pistas modernas y la primera pista de Londres construida en 1876. La mayoría de las pistas de patinaje todavía hacen circular una solución de salmuera de cloruro de calcio a través de tuberías en un piso de arena o concreto.

En los últimos años, debido a la eliminación gradual del cromato como inhibidor de la corrosión para la salmuera y los cambios en la tecnología de los intercambiadores de calor, los glicoles de etileno o propileno inhibidos se están volviendo más comunes. Se han introducido nuevos fluidos que promete un impacto ambiental mínimo en caso de una fuga y potencia de bombeo reducida; estos incluyen formato de potasio, acetato de potasio y varios compuestos patentados.

Los pisos de expansión directa o de recirculación de líquidos, en los que el refrigerante circula a través de las tuberías del piso, han sido populares en ocasiones debido a la mayor eficiencia de la planta de refrigeración. Sin embargo, la tubería del piso se convierte en parte del sistema de tubería de refrigeración y está sujeta a todas las códigos de seguridad y ambientales aplicables. Las pistas de amoníaco de expansión directa fueron bastante comunes en Canadá hasta la década de 1970, cuando las preocupaciones de seguridad limitaron su uso solo a las pistas al aire libre. Eventualmente, la mayoría, si no todos, se convirtieron en pistas con circulación de glicol o salmuera.

Las pistas también se han construido utilizando R22 de expansión directa en tuberías de cobre o acero incrustadas en hormigón, pero el diseño de circuitos adecuado fue fundamental para su éxito, y los tubos de pared delgada de diámetro pequeño demostraron ser susceptibles a la corrosión y las fugas. Con el movimiento hacia la minimización de la carga de refrigerante en todas las plantas de refrigeración, existen pocos incentivos para hacer circular el refrigerante directamente a través del piso.

Un desarrollo más reciente, o tal vez una repetición del trabajo de muchos años atrás, es el uso de dióxido de carbono líquido (CO2) que circula como un fluido secundario volátil a través de las tuberías de la pista. Esto se ha aplicado con éxito en varias instalaciones europeas, pero requiere sistemas de tuberías de piso que puedan operar a 450 psig. Estos pisos de CO2 funcionan con sistemas de refrigeración de amoníaco en cascada, lo que resulta en una instalación amigable con el medio ambiente. Una vez más, el cumplimiento de los códigos de refrigeración y el costo adicional de las tuberías de piso de alta presión pueden limitar el uso generalizado de este diseño.

Los sistemas de tuberías y refrigerante

Las tuberías en la pista típica no han variado mucho a lo largo de los años. Las tuberías suelen tener un diámetro de 25 mm a 30 mm, colocadas en centros de 90 mm a 115 mm.

Se utilizan espacios más reducidos en pisos sujetos a mayores cargas de calor, como los que se encuentran en las instalaciones de la Liga Nacional de Hockey. Las tuberías de acero todavía son comunes en estas pistas para proporcionar una mejor transferencia de calor.

Quizás el mayor cambio en los sistemas de pisos fue la introducción de tuberías de polietileno en la década de 1950. Clifford A. Meadows, un ingeniero civil de Toronto, fue pionero en el uso de tuberías de plástico para pistas de "recogida" temporales y obtuvo patentes estadounidenses y canadienses sobre su invención en 1957. Se construyó la primera pista de hielo con piso de plástico registrada. en el Chandler Park de Detroit en mayo de 1953. Rápidamente siguieron otras cuatro pistas al aire libre de Detroit.

La primera pista cubierta con tubería de plástico se construyó en el Hamilton Arena en Ontario, Canadá, a fines de 1953. Un extracto de Meadows en Canadian Plastics Magazine, noviembre de 1953, dice: ¿Dónde no es práctico colocar una losa de concreto, por ejemplo? , en un campo de rugby o un diamante de béisbol, o cuando se debe considerar el alto costo del concreto, la pista "take-up" de Meadows brinda una respuesta inmediata. La pista puede colocarse en el otoño, inundarse y congelarse durante el invierno, y volverse a colocar en la primavera para almacenarse hasta el próximo otoño. El uso de verano del área, como resultado de la portabilidad de la pista, no se interfiere. La pista “take-up” se adapta a todo tipo de campos de juego, canchas de tenis, e incluso se puede colocar en una piscina infantil o en un tanque de natación.

Existían serias preocupaciones acerca de las características de transferencia de calor y la longevidad de este material cuando se introdujo, pero algunas de las primeras pistas con tuberías de plástico siguen funcionando 40 años después. Pasar de tuberías de acero soldadas a tuberías de plástico redujo significativamente los costos de construcción, y el plástico era resistente a la corrosión que a menudo acababa con la vida útil de un piso de tubería de acero. El inconveniente de las tuberías de plástico es la necesidad de usar abrazaderas de tubería para las juntas en los extremos de la pista y las curvas de retorno.

Por lo general, los cabezales se instalaron en una zanja de cabezal en un extremo de la pista, por lo que las juntas permanecieron accesibles. Algunas pistas también incorporan una zanja al final de la curva de retorno por la misma razón. En los últimos años, los cabezales se están enterrando cada vez más en la losa del piso porque las juntas sujetas demostraron necesitar un mantenimiento mínimo. La eliminación de la zanja de cabecera ahorra construcción, mantenimiento y elimina la necesidad de cubiertas de zanja removibles de madera, acero u hormigón.

También se han desarrollado sistemas patentados de tuberías de plástico para pisos, que se construyen en placas que se pueden desplegar rápidamente y los cabezales integrales se pueden unir para formar un piso terminado. Estos utilizan tubos de diámetro pequeño (típicamente 6mm de diámetro) en centros de 1,9 cm y han demostrado ser populares para pistas portátiles mas pequeñas. Las pistas que utilizan glicol o salmuera requieren un intercambiador de calor para enfriar el líquido.

Las primeras pistas a menudo usaban tuberías sumergidas en un tanque de salmuera (a veces denominado serpentín de alta eficiencia); estos sistemas siguieron siendo populares en la década de 1950 en algunas áreas, a pesar de que los enfriadores de carcasa y tubos se usaban en las pistas en la década de 1920.

El Olympia Skating Arena, construido en Detroit en 1928, usó dos enfriadores de amoníaco inundados de 1 m de diámetro × 5,5 m de largo, cada uno con 10 pases de salmuera. Se ubicó un tanque de almacenamiento de salmuera debajo de los asientos en la arena para ayudar a los enfriadores bajo carga pesada.

Los tanques de salmuera eran bastante comunes para complementar la capacidad del enfriador al pre-enfriar la salmuera a un nivel inferior al temperatura normal antes de un evento.

A medida que aumentaba la capacidad de la planta de refrigeración y los enfriadores entregaban de manera confiable sus capacidades nominales, los tanques de salmuera comenzaron a desaparecer.

Los enfriadores de carcasa y tubos se volvieron físicamente más pequeños a medida que los diseños avanzaban.

También se está aplicando tubería de superficie mejorada para reducir aún más el tamaño del enfriador.

Desarrollos más recientes

La introducción de enfriadores de placas y marcos soldados y semi-soldados para el servicio de refrigeración en la década de 1990 ha llevado a su uso en pistas de patinaje. Estos enfriadores tienen las ventajas de una baja carga de refrigerante y capacidad de expansión. Además, se pueden desarmar para limpiarlos y son significativamente más pequeños que los diseños de carcasa y tubos de capacidad equivalente.

Cuando se aplica a sistemas de salmuera, las placas de titanio deben usarse a un costo mayor; por lo tanto, la mayoría de las instalaciones nuevas que utilizan estos enfriadores usan glicol como refrigerante secundario y placas de acero inoxidable para reducir el costo total. La tecnología de compresores para pistas de patinaje siguió el ritmo de los productos disponibles. Los compresores horizontales o verticales de gran diámetro y carrera y bajas revoluciones fueron reemplazados por compresores alternativos cada vez más pequeños y de altas revoluciones en la década de 1960.

En los últimos años, con el cambio hacia grandes instalaciones polivalentes con cuatro o más superficies de hielo que funcionan todo el año, la capacidad de refrigeración es suficiente para utilizar sistemas de compresores de tornillo más grandes. A medida que se lanzan al mercado compresores de tornillo más pequeños y de mayor eficiencia (30 hp y más), estos también se utilizan en las salas de máquinas de los estadios.

Los diseñadores deben tener cuidado para asegurarse de que los compresores se seleccionen para que coincidan con las cargas que varían tanto en invierno como en verano. Los sistemas de control de las pistas de hielo han sufrido profundos cambios en los últimos 20 años.

En la edición de octubre de 1927 de Ice and Refrigeration, M.R. Carpenter escribió extensamente sobre los desafíos que enfrentan los ingenieros operativos al tratar de hacer coincidir la planta de refrigeración con la carga que variaba dependiendo de problemas “como abrir o cerrar puertas, cambios en la dirección del viento , variación de la temperatura exterior, cambio de la humedad relativa, y, uno de los más positivos en su acción, los propios patinadores. Esta acción es modificada en cierto grado por el número de patinadores y muy particularmente por el sexo; aunque esta última causa no es tan pronunciada desde que se pusieron de moda las faldas cortas”.

Aunque el sistema de control de hielo de Scott supuestamente proporcionaba al operador toda la información necesaria para ajustar manualmente la planta, el control más común hasta la década de 1980 era un termostato, que detectaba la temperatura de retorno de la salmuera o la temperatura del suelo.

La introducción de PLC, DDC y controles informáticos automatizó la planta de refrigeración a un costo relativamente bajo, generalmente con una recuperación sustancial en la reducción del consumo de energía. Ahora se puede lograr un control preciso de la temperatura del hielo midiendo la temperatura de la superficie del hielo con cámaras infrarrojas montadas sobre el hielo.

Conclusiones

Hoy en día, todavía se están construyendo pequeños estadios comunitarios de un solo propósito que funcionan solo durante los meses de invierno, pero las comunidades están construyendo cada vez más grandes instalaciones de usos múltiples que utilizan dos o más superficies de hielo, gimnasios, piscinas, salas de reuniones, etc. Estas instalaciones se prestan a la integración de la planta de refrigeración en el sistema mecánico del edificio para reciclar el calor generado por el equipo de fabricación de hielo.

En algunos casos, el aire acondicionado del edificio está siendo manejado por los compresores de refrigeración de la pista de hielo fuera de las horas punta; en otros, el calor de refrigeración se rechaza en los circuitos de la bomba de calor del edificio.

Un sistema de control maestro supervisa las necesidades totales de calefacción, enfriamiento y refrigeración de la instalación, y agrega o elimina cargas de acuerdo con el uso y la información de costo de energía hora por hora.

Otra tendencia reciente, al menos en climas más fríos, es la construcción de pistas de patinaje refrigeradas para patinar por placer en un entorno natural. Se han construido varios de estos en Canadá y Europa, muchos como parte de una instalación más grande para que puedan compartir la capacidad de refrigeración durante el invierno.

Los fundamentos de la refrigeración de las pistas de hielo se establecieron hace casi 130 años. Hoy en día, las pistas de hielo móviles se pueden encontrar en centros comerciales, cruceros y edificios de gran altura.

El progreso en el diseño de pistas de hielo ha sido constante, lo que ha dado como resultado las instalaciones actuales de bajo costo y eficiencia energética que atraen a millones de participantes y espectadores cada año.