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INTRODUCCIÓN
Muchas operaciones unitarias utilizadas en la elaboración de
alimentos requieren de transferencia de calor, desde o hacia estos. La
transferencia de calor puede efectuarse por 3 mecanismos: la conducción, la
convección y la radiación (Fellows, 1994). Según Çengel (2007), la
conducción es la transferencia de energía de las partículas más energéticas
de una sustancia hacia las adyacentes, menos energéticas, como resultado
de la interacción entre ellas; la convección es el modo de transferencia de
calor entre una superficie sólida y un líquido o gas adyacentes que están en
movimiento, y comprende los efectos combinados de la conducción y del
movimiento del fluido; por su parte, la radiación es la energía emitida por la
materia en forma de ondas electromagnéticas (o fotones), como resultado de
los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas.
Según Rodríguez (1999), en determinados procesos de la industria
alimentaria, la transmisión de calor adquiere una importancia relevante en
procesos tales como los diferentes tratamientos para la destrucción de
microorganismos (esterilización, pasteurización, escaldado, entre otros) y
conservación de alimentos mediante el frío (refrigeración y congelación), a la
vez que resulta especialmente importante sobre las propiedades de los
alimentos (color, olor, sabor, textura y valor nutritivo).
En una planta de procesado, el calentamiento y enfriamiento de los
alimentos se lleva a cabo en equipos denominados intercambiadores de calor
(Singh y Heldman, 1998); los cuales también pueden ser llamados
cambiadores de calor, termocambiadores o termopermutadores (Amigo,
2000).
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Los intercambiadores de calor pueden clasificarse de manera genérica
en intercambiadores directos e indirectos. Como sugiere esta denominación,
en los intercambiadores indirectos el producto y el agente calefactor o
refrigerante se mantienen separados físicamente mediante una pared,
generalmente metálica. En los intercambiadores de calor directos hay
contacto físico entre el producto y el agente calefactor o refrigerante. Por
ejemplo, en un intercambiador de calor por inyección de vapor (directo), este
último es inyectado directamente en el producto a calentar, mientras que en
un intercambiador de calor de placas (indirecto), una lámina metálica separa
la corriente de producto y la del agente calefactor o refrigerante permitiendo
la transmisión de calor e impidiendo la mezcla de las corrientes (Singh y
Heldman, 1998).
Las direcciones del flujo de los fluidos en los intercambiadores de calor
indirectos pueden ser de flujo paralelo o en serie, bien sea en el mismo
sentido (equicorriente) o en sentido opuesto (contracorriente), y de flujo
cruzado, cuando las corrientes mantienen direcciones que se cruzan,
generalmente en forma perpendicular (Hermida, 2000). Por su parte, en los
intercambiadores de calor directos solo se considera la mezcla de los fluidos
ya sea por infusión o por inyección del vapor en los alimentos (Lewis y
Heppell, 2000).
Cuando se diseñan los intercambiadores de calor, se toma en
consideración que el coeficiente global de transmisión de calor del mismo
sea lo suficientemente elevado para obtener un buen rendimiento del equipo.
Sin embargo, para obtener los más altos valores para este coeficiente es
necesario ajustar las variables de las que depende, las cuales son: la
turbulencia del flujo, la forma, el espesor, el tipo de material de fabricación, y
la presencia de depósitos en la superficie de intercambio de calor, también
conocida como ensuciamiento (Casp y Abril, 1999).
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Existe una amplia gama de alimentos que pueden ser sometidos a
procesamiento mediante intercambiadores de calor, pero el tipo de
intercambiador de calor a escoger dependerá principalmente de ciertos
factores como la viscosidad del alimento, el tipo de tratamiento que se quiera
suministrar al alimento y los niveles de producción que se requieran alcanzar
(Richardson, 2000).
El objetivo de este Seminario fue describir determinados aspectos
relacionados con la clasificación, el funcionamiento y el ensuciamiento de los
intercambiadores de calor empleados en la industria de los alimentos,
haciendo mención de algunos modelos y marcas comerciales, así como de
ciertos alimentos que pueden ser procesados en ellos.
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GENERALIDADES DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR
Definición de Intercambiador de Calor.
Según Shah y Sekulic (1998), un intercambiador de calor es un equipo
empleado para transferir energía térmica entre 2 o más fluidos, entre una
superficie sólida y un fluido, o entre partículas sólidas y un fluido, a
temperaturas diferentes y en contacto térmico, usualmente sin calentamiento
externo ni interacciones de trabajo. Otros autores, como Amigo (2000) y
Çengel (2007), definen los intercambiadores de calor como aparatos que
facilitan el intercambio de calor entre 2 fluidos que se encuentran a
temperaturas diferentes y evitan al mismo tiempo que se mezclen entre sí.
Clasificación de los Intercambiadores de Calor.
Singh y Heldman (1998), clasifican a los intercambiadores de calor
según el tipo de contacto que poseen con el alimento que calientan o enfrían,
en intercambiadores de contacto directo y de contacto indirecto, tal y como
se puede observar en la Fig. 1. A su vez, en la Fig. 2, se esquematiza una
clasificación de los intercambiadores de calor indirectos, según Amigo
(2000).
Por su parte, Rodríguez (1999), ha establecido la siguiente
clasificación para los intercambiadores de calor:
Regeneradores: en estos, un fluido caliente y un fluido frío circulan
alternativamente. Cuando circula el fluido caliente, este se enfría en su
paso a través del regenerador, acumulándose la energía en el último; a
continuación, circula el fluido frío, que aumenta su temperatura al
recuperar la energía que previamente se había almacenado en el
regenerador.
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Fig. 1. Clasificación de los intercambiadores de calor.
Fuente: Singh y Heldman, 1998.
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Fig. 2. Clasificación de los intercambiadores de calor indirectos.
Fuente: Amigo, 2000.
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Intercambiadores cerrados: en estos equipos, los fluidos circulan
simultáneamente intercambiando calor, manteniéndose separados por
una pared metálica.
Intercambiadores abiertos: donde los fluidos intercambian calor al entrar
en contacto directo entre ellos.
Descripción de los Intercambiadores de Calor.
De acuerdo con la clasificación establecida por Singh y Heldman
(1998), a continuación se hace una breve descripción de diferentes
intercambiadores de calor tomando en consideración el material de
fabricación, su funcionamiento, su mínima o máxima capacidad de operación
en función de la presión, el volumen o la temperatura, así como los alimentos
que pueden ser procesados en cada uno de ellos, entre otras características.
De igual forma, se mencionan las propiedades de determinados
intercambiadores de calor diseñados y comercializados por algunos
fabricantes a nivel mundial.
Intercambiadores de calor indirectos.
Los intercambiadores de calor de contacto indirecto, son aquellos que
facilitan el intercambio de calor entre 2 fluidos que se encuentran a
temperaturas diferentes, evitando al mismo tiempo que se mezclen entre sí
(Çengel, 2007). Entre los fluidos que intervienen se encuentran el producto
alimenticio y el agente calefactor o el agente refrigerante, estando estos
separados mediante una pared metálica (Singh y Heldman, 1998).
Atendiendo a las direcciones del flujo de ambos fluidos en el interior
del equipo, los intercambiadores de calor pueden ser: de flujo paralelo o en
serie y de flujo cruzado. El flujo paralelo es aquel que se da cuando los
fluidos mantienen direcciones paralelas, bien sea en el mismo sentido
(equicorriente) o en sentido opuesto (contracorriente); mientras que el flujo
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cruzado es el que ocurre cuando las corrientes mantienen direcciones que se
cruzan, formando un ángulo, generalmente perpendicular (Amigo, 2000;
Hermida, 2000).
Los intercambiadores de calor de contacto indirecto incluyen a los
intercambiadores tubulares, intercambiadores de superficies rascadas o
raspadas, intercambiadores de carcasa y tubos y a los intercambiadores de
placas (Singh y Heldman, 1998; Sharma y otros, 2003).
Intercambiadores de calor tubulares. Bajo este nombre se agrupan
todos los intercambiadores de calor en los que la superficie de intercambio
está formada por tubos, cualquiera que sea su disposición (Casp y Abril,
1999). Estos equipos, después de los intercambiadores de calor de placas,
son los más comunes en la industria de los alimentos (Sannervik y otros,
1996).
Intercambiadores de calor de tubo liso. Según Amigo (2000), los
intercambiadores de calor tubulares más sencillos que se pueden encontrar
en la industria del procesado de alimentos son los de tubo liso o tubo único.
Dentro de ellos circula el agente calefactor o el refrigerante y su parte externa
entra en contacto con el alimento. Las 2 variantes más comunes de estos
intercambiadores se describen a continuación:
El intercambiador de calor de haces tubulares, que consta de varios tubos
paralelos que van soldados por sus extremos, a otros, un poco más
gruesos, denominados colectores, tal y como se muestra en la Fig. 3.
Estos trabajan generalmente en inmersión y operan, bien como
evaporadores de una máquina frigorífica, o como integrantes de un
circuito secundario, ya sea para calentamiento o refrigeración del fluido en
el cual se hallan sumergidos. Se pueden fabricar con materiales
metálicos, como los tradicionales, así como con materiales sintéticos,
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Fig. 3. Intercambiador de calor de haces tubulares.
Fuente: Amigo, 2000.
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inertes y flexibles, como el polietileno reticulado, que permiten su
introducción en depósitos con puntos de acceso estrechos.
El intercambiador de calor de serpentín, que consiste en un tubo liso
enrollado en espiral, para evitar el empleo de codos y colectores. Este se
encuentra diseñado en forma de carrito sobre el cual se soporta una
máquina frigorífica, como se muestra en la Fig. 4. El diseño que posee
este equipo, permite fácilmente su traslado.
Los citados equipos son frecuentemente empleados en enología para
el control de la temperatura de fermentación de los mostos, en instalaciones
técnicamente poco actualizadas. En los últimos años, los intercambiadores
de calor de serpentín han evolucionado para dar lugar a los depósitos con
camisas, en los cuales el serpentín se ha sustituido por una doble pared, que
envuelve la parte superior externa del depósito, como puede apreciarse en la
Fig. 5 (Amigo, 2000).
Revial, S.L. (2004), una empresa manufacturera de maquinaria
enológica, ha dispuesto en el mercado varios modelos de depósitos de
fermentación de mostos, marca COSVAL®, los cuales poseen integradas
camisas de refrigeración y son fabricados en acero inoxidable. Estos poseen
capacidades que van desde 1.500 hasta 80.000 l de producto.
Intercambiadores de calor de tubos coaxiales. Los intercambiadores
de calor de tubos coaxiales son también llamados de tubos concéntricos o de
tubo doble. Estos constan de 2 tubos de diámetro diferente, encontrándose el
de menor diámetro en el interior del otro tubo. Por el interior de los mismos
circulan paralelamente los fluidos, ya sea en el mismo sentido o en sentido
contrario, como se indicó anteriormente, siendo el producto alimenticio el que
generalmente fluye por el espacio central, mientras que el fluido térmico fluye
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(a) (b)
Fig. 4. Intercambiador de calor de serpentín: (a) serpentín y (b) cámara
frigorífica sobre carrito, mientras se inserta el serpentín en un tanque de
fermentación.
Fuente: Amigo, 2000.
Fig. 5. Depósito con camisa.
Fuente: Amigo, 2000.
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por el espacio anular que queda libre entre los 2 tubos (Singh y Heldman,
1998; Casp y Abril, 1999).
Los tubos que se emplean en la fabricación de estos intercambiadores
pueden ser lisos o corrugados (Casp y Abril, 1999). La corrugación ondula la
superficie del tubo de forma regular y la superficie ondulante de ambos tubos
crea entrantes y salientes, que obligan a los fluidos a circular en régimen
turbulento, lo que mejora la transferencia de calor. Por otra parte, estos
intercambiadores ofrecen un gran número de posibilidades en cuanto al
diseño del tubo, tamaño, forma y profundidad del corrugado, cuya adaptación
a los diferentes alimentos a tratar varía en función de las características
físicas de los mismos (viscosidad, densidad, presencia de partículas sólidas,
tamaño de las partículas). Estos tubos se fabrican en acero inoxidable, acero
al carbono y materiales que se adapten bien a las características de los
productos a tratar (Amigo, 2000).
En la Fig. 6, se muestra la estructura de un intercambiador coaxial
corrugado.
Fellows (2000), menciona que los intercambiadores de calor tubulares
pueden funcionar a presiones elevadas (hasta 100 bar ó 10.000 kPa) y que
los fluidos pueden alcanzar velocidades de flujo de hasta 6 m/s. Sin
embargo, también menciona algunas desventajas del empleo de estos
equipos:
La inspección de las superficies de intercambio, para la detección de un
eventual cúmulo de depósitos (ensuciamiento o incrustaciones), se realiza
con gran dificultad.
Solamente son utilizables en alimentos de poca viscosidad (hasta
1,5 N.s/m2 o 1.500 cp).
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Fig. 6. Intercambiador de calor de tubos coaxiales corrugados.
Fuente: Amigo, 2000.
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Con la finalidad de aumentar la superficie de intercambio de calor en
los intercambiadores de calor coaxiales, se han desarrollado unas
disposiciones espaciales que van desde el intercambiador recto, pasando
por el acodado o en “U”, hasta el enrollado en espiral, tal y como se
observa en la Fig. 7. Los intercambiadores acodados pueden disponerse en
varios planos, para lo cual se hace imprescindible el empleo de un soporte o
armazón que facilite el montaje de los tubos, tal y como se muestra en la
Fig. 8 (Amigo, 2000).
La corporación HRS Heat Exchangers Limited (2002), ha diseñado el
intercambiador de calor de doble tubo, modelo DTA, especialmente
desarrollado para su aplicación en el procesamiento de los alimentos, el cual
posee las siguientes características:
Los tubos de este equipo son fabricados con acero inoxidable y poseen
corrugaciones en sus superficies.
Las longitudes estándar del equipo son de 3 y 6 m.
El diámetro del tubo externo puede ser de 51, 64, 76, 104 ó 129 mm.
El diámetro del tubo interno puede ser de 25, 51, 64, 76 ó 104 mm.
Pueden operar a una presión y una temperatura máximas de 10 bar
(1.000 kPa) y 185 °C, respectivamente.
Pueden procesar alimentos con partículas de hasta 50 mm de diámetro.
Son fácilmente desmontables para inspección y lavado.
Entre los alimentos que pueden ser procesados en intercambiadores
de calor de tubos coaxiales se encuentran: cremas y pulpas de frutas u
hortalizas, yogurt con trozos de frutas, mostos, jugos, mermeladas, sopas,
aceite vegetal, salsa de tomate (kétchup) y mostaza, entre otros productos
(HRS Heat Exchangers Limited, 2002).
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Fig. 7. Intercambiadores de calor coaxiales: (a) recto, (b) acodado o en “U” y
(c) enrollado.
Fuente: Amigo, 2000.
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Fig. 8. Intercambiador de calor de tubos coaxiales acodados y montados
sobre un soporte.
Fuente: HRS Heat Exchangers Limited, 2002.
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Intercambiadores de calor de triple tubo concéntrico. Según Zuritz
(1990), los intercambiadores de calor de triple tubo concéntrico son una
versión mejorada de los intercambiadores de calor coaxiales. Las mejoras
principales incluyen un área más grande por unidad de longitud de tubo,
disponible para la transferencia de calor, así como mejores coeficientes
globales de transferencia de calor. Estos equipos están integrados por
3 tubos posicionados en un mismo eje, en donde los agentes refrigerantes y
calefactores circulan alternativamente por el tubo interior (de menor diámetro)
y por el espacio anular exterior (tubo de mayor diámetro), mientras que el
producto circula por el espacio anular intermedio.
Según Singh y Heldman (1998), algunas aplicaciones industriales de
los intercambiadores de calor de triple tubo concéntrico son:
El calentamiento intenso de zumo de naranja a 93 °C y posterior
enfriamiento a 4 °C.
El enfriamiento del agua de lavado del requesón desde 46 hasta 18 °C,
con agua fría.
El enfriamiento con amoníaco de la mezcla del helado desde 12 hasta
0,5 °C.
Satyanarayana y otros (1995), señalan que el tratamiento de la leche a
temperaturas ultra elevadas (UHT, siglas en inglés de “Temperaturas Ultra
Elevadas”) entre 130 y 150 °C, en intercambiadores de calor de triple tubo
concéntrico, resulta muy conveniente cuando se trata de procesamiento en
pequeña escala. Por otro lado, Ashurst (1999) señala que este tipo de
intercambiador de calor resulta satisfactorio para el procesamiento de
bebidas con trozos de frutas y altos contenidos de pulpa o fibra.
La corporación estadounidense SPX ha desarrollado en la actualidad
3 intercambiadores de calor tubulares corrugados, marca APV®, que
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incluyen: el intercambiador de doble tubo, el intercambiador de tubo triple y el
intercambiador de 4 tubos concéntricos, elaborados con acero al carbono,
capaces de soportar temperaturas y presiones máximas de 285 °C y 60 bar
(6.000 kPa), respectivamente (SPX Corp, 2008).
Intercambiadores de calor de tubos con aletas. Los intercambiadores
de calor de tubos con aletas, también llamados aletados, son equipos que
están especialmente diseñados para mejorar el intercambio de calor entre 2
fluidos, 1 de los cuales, al menos, es un gas. Estos están elaborados a partir
de tubos de cobre o acero, acodados, dispuestos en un serpentín plano, de
una o varias capas, sobre las que se montan perpendicularmente al eje,
láminas muy finas de aluminio que se fijan a la superficie de los tubos, como
se muestra en la Fig. 9. La separación entre las láminas depende de las
aplicaciones y de los fabricantes, y puede oscilar desde 3 hasta 18 mm. La
unión entre las láminas o aletas y los tubos puede llevarse a cabo por
soldadura o cualquier otro procedimiento, siempre que el contacto entre las
superficies sea bueno y facilite la transmisión del calor (Amigo, 2000).
El fluido que circula por el exterior (entre las aletas), generalmente
“aire”, es impulsado a través de los tubos mediante ventiladores (Amigo,
2000). Por otro lado, el fluido que circula por el interior de los tubos puede
ser: amoníaco, dióxido de carbono, compuestos clorofluorocarbonados
(CFC) o hidrofluorocarbonados (HFC), entre otros, siendo estos últimos los
más utilizados en la actualidad, debido a que no presentan riesgos para la
integridad de la capa de ozono (Shah y Sekulic, 1998). En estos equipos el
intercambio se produce mediante el flujo cruzado de los fluidos. Cuando los
tubos van dispuestos en varios planos, se procura que la colocación sea al
“tresbolillo”, como se observa en la Fig. 10, para que el aire que circula entre
2 tubos de la primera fila se encuentre con un tubo de la segunda. Para
facilitar el movimiento de aire y proteger el equipo, muchos de estos
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Fig. 9. Intercambiador de calor de tubos con aletas.
Fuente: Shah y Sekulic, 1998.
Fig. 10. Disposición de los tubos al tresbolillo.
Fuente: Amigo, 2000.
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intercambiadores se presentan dentro de una envolvente o armazón de
plástico, aluminio o acero, que a modo de caja facilita la instalación y permite
crear embocaduras en las que se colocan los ventiladores, como se muestra
en la Fig. 11 (Amigo, 2000).
Según Shah y Sekulic (1998), existen intercambiadores de calor de
tubos con aletas de hasta 3.300 m2/m3, comercialmente disponibles. A su
vez, el número de aletas por metro de tubo puede variar de 250 a 800 y el
grosor de las aletas oscila entre 0,08 y 0,25 mm. Un intercambiador de calor
de tubos con aletas con 400 aletas/m posee aproximadamente una densidad
de área superficial de 720 m2/m3.
Estos intercambiadores son extensamente empleados como
evaporadores y condensadores en aplicaciones de acondicionamiento de
aire y refrigeración, en las industrias de energía y de procesos (Shah y
Sekulic, 1998). A su vez, se emplean para el enfriamiento de cámaras
frigoríficas y equipos para conservación de alimentos, ya sea en refrigeración
o congelación (Amigo, 2000).
Frimetal S.A (2008), es una empresa española dedicada a la
fabricación y comercialización de evaporadores y condensadores que operan
a través de un sistema de intercambio de calor de tubos con aleta. Esta
organización ha diseñado una serie de evaporadores para enfriamiento y
congelación de alimentos, entre los cuales se mencionan los siguientes:
Serie GNHM, para cámaras de conservación en refrigeración a 2 °C.
Serie GNHB, para cámaras de conservación en congelación, a -20 °C.
Serie GNHL, para cámaras de bajas temperaturas, de -30 a -20 °C.
Serie GNHX, para túneles de congelación rápida, a - 40 °C.
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Fig. 11. Intercambiador de calor de tubos con aleta, con envolvente y
ventiladores.
Fuente: Refrisa, 2008.
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Estos equipos, a su vez, están construidos con tubos de acero
inoxidable, aletas de aluminio corrugado y carcasa exterior en chapa de
aluminio y galvanizada (Frimetal S.A., 2008).
Intercambiadores de calor de superficie rascada. Son
intercambiadores constituidos por 2 tubos concéntricos, dispuestos casi
siempre en posición vertical (Casp y Abril, 1999). Dentro del tubo central,
estos equipos disponen de un rotor o cilindro rotatorio, al que se encuentran
unidas una serie de paletas o láminas sólidas, que mantienen en continua
agitación al producto, raspando la superficie de intercambio, evitando así que
se produzcan depósitos (ensuciamiento) en dicha superficie, para mantener
un proceso de transferencia de calor uniforme (Harrod, 1986; Mabit y otros,
2008). Por el espacio anular entre ambos tubos, circula el agente calefactor
o refrigerante, que puede ser vapor, agua caliente o fría, salmuera u otro
refrigerante como Freón (Singh y Heldman, 1998).
Las paletas del intercambiador se fabrican cubiertas por un material
plástico y la velocidad de rotación de las mismas varía desde 150 hasta
500 rpm. Las superficies en contacto con los alimentos de estos equipos se
fabrican en acero inoxidable, níquel, aleación de cromo u otros materiales
resistentes a la corrosión (Singh y Heldman, 1998).
En la Fig. 12, se muestra un intercambiador de calor de superficie
rascada.
Ashurst (1999), ha señalado que existen intercambiadores de calor de
superficie rascada con distintas capacidades de procesamiento según las
necesidades de producción de alimentos, tal y como se indica a
continuación:
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Fig. 12. Intercambiador de calor de superficie rascada.
Fuente: Richardson, 2000.
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Intercambiadores de baja capacidad, que operan en posición vertical con
productos que poseen una viscosidad máxima de 100.000 cp, resistiendo
presiones de hasta 7 bar (700 kPa), y con un ritmo de producción de
2.000 a 8.000 l/h, según la viscosidad.
Intercambiadores de alta capacidad, que operan en posición vertical u
horizontal con productos que poseen una viscosidad máxima de 1.000
N.s/m2 (1.000.000 cp), resistiendo presiones máximas de 30 bar
(3.000 kPa), y con una capacidad de producción de hasta 10.000 l/h
de producto, según la viscosidad.
Tertlet Corp, es una empresa pionera en el diseño de
intercambiadores de calor de superficie rascada, que ha lanzado al mercado
los intercambiadores TERLOTHERM®, que constan de 6 modelos de
intercambiadores verticales con distintas capacidades de procesamiento, tal
y como se muestra en la Tabla 1. Estos equipos han sido diseñados para
trabajar con alimentos como jarabes (caramelo, chocolate, entre otros),
queso crema, salsas, purés de vegetales, mezclas de helados, sopas,
mostaza, mayonesa, mantequilla de maní, gelatinas, malvaviscos, jugos
concentrados, yogurt y huevos, entre otros productos. Además de las
aplicaciones básicas de estos equipos sobre los alimentos (calentamiento,
enfriamiento y mezclado), también se encuentran: la aireación, la gelificación
y el procesado aséptico (Tertlet Corp, 2008).
Intercambiadores de calor de carcasa y tubos. Estos intercambiadores
de calor también son denominados intercambiadores de calor multitubulares
(Ashurst, 1999; Amigo, 2000). Estos equipos se emplean cuando se requiere
un área de calefacción elevada, tomando en cuenta que poseen un volumen
más reducido para una superficie igual a la requerida por los
intercambiadores de calor tubulares. Básicamente, consisten en una carcasa
fija, en el interior de la cual se encuentran un conjunto de tubos cilíndricos
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Tabla 1. Características de los intercambiadores de calor de superficie
rascada TERLOTHERM® manufacturados por Tertlet Corp.
Modelo Medios de
calentamiento
Medios de
enfriamiento
Volumen de
producto (l)
Área de
intercambio
de calor (m2)
T ½ Agua.
Vapor de
Agua.
Salmuera.
Agua.
Amoníaco.
Glicol.
20 0,6
T 0-4 30 1,0
T 1-4 70 2,4
T 1-6 70 2,4
T 2-4 130 4,4
T 2-6 130 4,4
Fuente: Tertlet Corp, 2008.
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paralelos, situados horizontalmente o verticalmente (Rodríguez, 1999).
Según Amigo (2000), para mantener fijas las disposiciones
geométricas de los tubos interiores del intercambiador, estos van soldados
por sus extremos a las placas tubulares. A su vez, para obtener un equipo fijo
y obligar a los fluidos a circular en las direcciones y sentidos convenientes, la
parte anterior y la parte posterior de la carcasa van cerradas, quedando
limitadas por 2 piezas llamadas cabezales, que tienen funciones diferentes y
reciben nombres distintos. Uno de estos es el distribuidor o cabezal anterior,
por el cual entra el producto al intercambiador, obligándolo a circular por el
interior de los tubos más delgados; el otro es el cabezal trasero o fondo, por
el que sale el producto calentado o enfriado hacia el exterior.
La transferencia de calor tiene lugar a medida que uno de los fluidos
se mueve por dentro de los tubos, en tanto que el otro se mueve por fuera de
estos, dentro de la carcasa. Dentro de ésta, se sitúan desviadores o
deflectores, a intervalos regulares, que ayudan a mantener los tubos en su
posición y, además, obligan al fluido que circula por este espacio a describir
un movimiento ondulante a lo largo de su recorrido. Este movimiento hace
que la incidencia del fluido sobre los tubos se produzca formando un ángulo
perpendicular, por lo que se dice que el flujo es cruzado (Çengel, 2007).
Cuando se genera este tipo de flujo, la transmisión de calor entre los fluidos
es mayor que con el flujo paralelo (Singh y Heldman, 1998).
Según Shah y Sekulic (1998), los intercambiadores de calor de
carcasa y tubos, son ampliamente utilizados en la industria debido a la gran
capacidad y condiciones de operación que poseen, que incluyen desde el
trabajo a presiones ultra elevadas (1.000 bar ó 100.000 kPa) hasta el empleo
de elevadas temperaturas (cerca de 1100 °C). En estos intercambiadores
cualquier diferencia de presiones y temperaturas entre fluidos se encuentra
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limitada por los materiales que se empleen en la construcción de estos
equipos. También pueden ser diseñados de diversos tamaños según las
necesidades, desde los más pequeños, con superficies de 1 m2, hasta los
más grandes que pueden alcanzar los 100.000 m2.
Los tubos en el interior de la carcasa pueden ser corrugados para
aumentar el coeficiente de transferencia de calor en un 30 %
aproximadamente, y a su vez son elaborados a base de acero
inoxidable para el procesamiento de productos alimenticios (Lewis y
Heppell, 2000).
En la Fig. 13, se representa un intercambiador de calor de carcasa y
tubos.
Según Amigo (2000), los intercambiadores de carcasa y tubos se
representan, en función del número de pasos que realizan los fluidos por la
carcasa y por los tubos, de la siguiente manera:
De un paso por la carcasa y un paso por los tubos.
De un paso por la carcasa y 2 pasos por los tubos.
De 2 pasos por la carcasa y 4 pasos por los tubos.
La empresa SPX Corp (2008) ha desarrollado un intercambiador de
calor de carcasa y tubos, especialmente para su aplicación en el
procesamiento de alimentos, tales como: zumos y néctares de frutas, jugos
concentrados de frutas, alimentos para bebés (colados y picados), sopas,
salsas, extractos de café, gelatinas, aceites comestibles, yogurt, chocolate,
entre otros alimentos fluidos. Este equipo ha sido fabricado con acero
inoxidable, y es capaz de resistir una presión máxima de 10.000 kPa
(100 bar) y temperaturas de procesamiento entre - 30 °C y 300 °C.
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Fig. 13. Intercambiador de calor de carcasa y tubos.
Fuente: Çengel, 2007.
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Intercambiadores de calor de placas. Los intercambiadores de calor de
placas son ampliamente empleados para el calentamiento, el enfriamiento y
la regeneración de calor en la industria de los alimentos (Galeazzo y otros,
2006).
Existen diversos tipos de intercambiadores de calor de placas, tales
como: de placas simples, de placas con juntas o selladores y de placas
soldadas. Sin embargo, en la actualidad, en la industria de los alimentos han
encontrado mayor empleo los intercambiadores de calor de placas con juntas
o selladores (Richardson, 2000).
Intercambiadores de calor de placas simples. Estos consisten en 2
planchas o láminas, generalmente de acero inoxidable o aluminio, sobre las
que se ha formado un circuito. Estas 2 láminas, después de disponerlas
convenientemente, se sueldan, y quedan como una placa única. Los diseños
de los circuitos pueden tomar formas muy diversas, como: zigzag, asurcadas
y punteadas, entre otras; mientras que la placa puede ser geométricamente
plana, plegada en forma de prisma o cilíndrica (Amigo, 2000).
Los intercambiadores de calor de placas simples operan por
inmersión, colocándose dentro del fluido a tratar térmicamente, que puede
ser un líquido o gas. Fundamentalmente, se destinan al enfriamiento de
líquidos contenidos en un depósito o tanque, pero también pueden
emplearse para calentamiento. Estos equipos generalmente se emplean en
la industria enológica, así como en las balsas de agua para acumulación de
hielo, de uso frecuente en la industria láctea (Amigo, 2000).
Intercambiadores de calor de placas con juntas o selladores. Los
intercambiadores de calor de placas con juntas o selladores, consisten en un
conjunto de placas de metal, unidas una contra la otra a presión,
30
encontrándose sostenidas por un bastidor o armazón. Las entradas y salidas
de las placas se sellan mediante juntas de materiales como caucho, silicona,
nitrilo y butilo, entre otros, para evitar la mezcla de los fluidos que circulan por
ellas. Estas juntas, al mismo tiempo, sirven para conducir las corrientes del
fluido calefactor o refrigerante y del producto, haciendo que ambos circulen
por placas alternas (Singh y Heldman, 1998).
Los intercambiadores de calor con juntas exhiben excelentes
propiedades de transferencia de calor entre fluidos, lo cual ha permitido un
diseño muy compacto de estos. Además, el diseño de estos
intercambiadores permite que sean fácilmente desmontados para su
mantenimiento o limpieza y para agregar o quitar placas, con el fin de
modificar la superficie de intercambio de calor entre ellos (Kim y otros, 1999;
Gut y Pinto, 2004).
En la Fig. 14, se muestra un intercambiador de calor de placas con
juntas y se señalan cada una de sus partes.
Habitualmente las placas se construyen, con un espesor del orden de
0,5 a 3,0 mm, y se disponen sobre el bastidor con una distancia entre ellas
que varía entre 1,5 y 5,0 mm. A su vez, el área de las placas puede variar
entre 0,03 y 1,50 m2 (Rodríguez, 1999). Estas placas son acanaladas, en las
que por embutido se han conseguido distintos dibujos geométricos. El dibujo
y el tipo de acanaladura varían de un fabricante a otro, existiendo en el
mercado más de 60 dibujos distintos. Las acanaladuras tienen por objeto
esencial incrementar la turbulencia del flujo y de esta forma aumentar el
coeficiente global de intercambio de calor en el equipo. Las
acanaladuras también marcan el camino que deben recorrer los fluidos,
consiguiendo que se utilice toda la superficie de las placas sin que se
produzcan caminos preferentes, asegurando así una homogeneidad en el
31
Fig. 14. Intercambiador de calor de placas con juntas: 1) bastidor, 2) placa, 3)
conexiones, 4) juntas y 5) guías para las placas.
Fuente: COMEVAL S.L., 2006.
32
tratamiento y un buen aprovechamiento de la superficie de intercambio de
calor (Casp y Abril, 1999).
En la Fig. 15. se muestran placas con distintos tipos de acanaladuras.
Según Gut y Pinto (2004), existen diversos patrones de flujo
posibles para un intercambiador de calor de placas, dependiendo de la
configuración del mismo, lo cual depende del número de canales de paso,
el arreglo que posean los canales de paso, el tipo de canal de flujo y la
localización de la entrada y la salida de los fluidos sobre el bastidor.
Casp y Abril (1999), señalan que cuando cada par de placas
adyacentes forman un canal, los 2 fluidos (producto y fluido térmico) pueden
circular por canales alternativos, haciendo posible que cada placa esté en
contacto con cada fluido por una de sus caras, tal y como se observa en la
Fig. 16. Estos autores señalan también la posibilidad de montar distintas
secciones en un mismo bastidor, en cada una de las cuales se pueden
realizar operaciones distintas como calentamiento, enfriamiento y
recuperación de calor. Esto se puede lograr mediante el empleo de placas de
conexión o separadores, a través de las cuales se introducen y se extraen los
distintos fluidos a cada una de las secciones.
En la Tabla 2 se muestra una comparación entre los intercambiadores
de calor de carcasa y tubos y los de placas con juntas, en cuanto a las
ventajas y limitaciones que poseen para el procesamiento de alimentos.
Las principales aplicaciones de los intercambiadores de calor de
placas con juntas o selladores en el procesamiento de los alimentos, se dan
en:
33
Fig. 15. Tipos de acanaladuras en las placas: a) tabla de lavado, b) zigzag,
c) espina de pescado, chevron o herringbone, d) protrusiones y depresiones,
e) tabla de lavado con corrugaciones secundarias y f) tabla de lavado
oblicua.
Fuente: Shah y Sekulic, 1998.
34
Fig. 16. Flujo por canales alternativos en intercambiador de calor de placas.
Fuente: Casp y Abril, 1999.
35
Tabla 2. Comparación entre los intercambiadores de calor de placas y los
intercambiadores de calor de carcasa y tubos.
INTERCAMBIADORES DE CALOR DE PLACAS CON JUNTAS
Ventajas Limitaciones
Son más económicos.
Ocupan menos espacio.
Consumen menor cantidad de
agua.
Son eficientes en cuanto al
empleo de energía (regeneran
más del 90 % de la energía
utilizada).
Son flexibles en cuanto a la
tasa de procesamiento, ya que
ésta se puede aumentar o
disminuir variando el número de
placas en el equipo.
Las placas pueden ser
fácilmente desmontadas para
las operaciones de inspección,
limpieza y esterilización.
Sólo resisten bajas presiones de
proceso debido a las juntas de
estanqueidad (7 bar ó 700 kPa).
Las velocidades de los fluidos
son relativamente bajas a las
máximas presiones de trabajo
(1,5 a 2,0 m/s).
Las juntas de estanqueidad son
susceptibles a las altas
temperaturas de procesamiento
y deben ser reemplazadas con
regularidad.
Están limitados a líquidos de
baja viscosidad (1,5 N.s/m2 ó
1.500 cp).
Son más propensos al
ensuciamiento.
INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CARCASA Y TUBOS
Ventajas Limitaciones
Pocos sellos y mayor facilidad
de limpieza y mantenimiento de
las condiciones asépticas.
Dificultad para la inspección de
las superficies de intercambio de
calor para la detección de
depósitos de alimentos.
36
Tabla 2 (continuación).
Operación a presiones más
elevadas (7000 a 10.000 kPa) y
mayor flujo másico de los líquidos
(6 m/s).
Flujo turbulento en las paredes de
los tubos debido a los mayores
caudales.
Generan una transferencia de
calor más uniforme y menores
deposiciones de producto.
Limitados a alimentos de
viscosidad relativamente baja
(hasta 1.5 N.s/m2).
Menor flexibilidad a cambios en la
capacidad de producción.
Cualquier incremento en la tasa
de producción requiere la
duplicación del área del equipo.
Fuente: Fellows, 2000.
37
La pasteurización, la ultra-pasteurización y el enfriamiento de la leche
(Roche y Olmo, 2007).
La pasteurización de los zumos de frutas, como el de naranja y el de uva,
entre otros (Ashurst, 1999).
El enfriamiento de aceites comestibles (Amigo, 2000).
El enfriamiento de productos de cervecería (Alfa Laval, 2008).
Alfa Laval (2008), ha manufacturado varios tipos de intercambiadores
de calor de placas con juntas, entre los cuales se encuentran los modelos
Gemini y M-Line. Ambos poseen diseños que permiten su fácil
mantenimiento higiénico. Entre las características de estos intercambiadores
se mencionan las siguientes:
Las placas poseen áreas superficiales que van desde 0,14 hasta 0,62 m2.
Las placas pueden soportar presiones dentro del rango de los 10 bar
(1.000 kPa) hasta los 18 bar (1.800 kPa), y una temperatura máxima de
150 °C.
Las juntas de estanqueidad se elaboran a base de nitrilo o de un polímero
conocido como EPDM, por sus siglas en inglés, que significan Monómero
de Etileno Propileno Dieno.
El marco o bastidor consiste en una placa de presión fija, una placa de
presión móvil, una columna de sostenimiento de las placas, barras guías
superiores e inferiores, cerrojos para las placas y patas ajustables.
Poseen capacidad para procesar de 9.000 a 15.000 l/h de producto,
dependiendo de la temperatura y tiempo de procesamiento necesarios.
Intercambiadores de calor de placas soldadas. Según Amigo (2000),
los intercambiadores de calor de placas soldadas son aquellos en los que las
placas se mantienen selladas entre sí mediante soldadura con cobre. Estos
equipos constituyen un bloque de placas mucho más sencillo en su
estructura que los de placas con juntas descritos en el punto anterior, ya que
38
no necesitan bastidor, ni tornillos de apriete, ni por supuesto juntas de
estanqueidad.
En estos intercambiadores, el paquete de placas comienza y termina
en 2 placas más gruesas que las restantes, en las que se ubican las tomas
para dar entrada y salida a los fluidos. A su vez, permiten operar a
temperaturas y presiones mayores que los intercambiadores de placas con
juntas, con presiones de hasta 40 bar y temperaturas que alcanzan los
350 °C, siendo estos además, muy compactos, potentes y de tamaño muy
reducido para las prestaciones que son capaces de ofrecer. Sin embargo, no
es común el empleo de este tipo de intercambiador de calor para el
procesamiento de alimentos, debido a la dificultad existente para las
operaciones de inspección en busca de depósitos formados entre las placas,
ocupando el primer lugar de preferencia el intercambiador de calor de placas
con juntas, debido a que en este último existe la facilidad de inspección y la
posibilidad de la limpieza y esterilización directa de las placas al
desmontarlas del bastidor que las sostiene (Amigo, 2000).
Intercambiadores de calor directos.
Según Lewis y Heppell (2000), en los intercambiadores de calor
directos o sistemas de intercambio directo de calor, el producto es calentado
a temperatura de esterilización, mezclándolo con vapor de agua. Uno de los
principios básicos del procesamiento mediante estos equipos es que parte
del vapor de agua empleado se condensa, cediendo su calor latente de
vaporización al producto, generando así, una tasa de calentamiento mucho
más rápida que la que podría permitir cualquier intercambiador de calor
indirecto. El vapor puede ser inyectado en el producto mediante un
“intercambiador de calor por inyección de vapor”, o se puede bombear el
producto a una cámara con vapor en forma de cortina (“spray”), a través de
un “intercambiador de calor por infusión de vapor”. Así mismo, los
39
intercambiadores de calor tanto de infusión como de inyección de vapor
operan integrados a sistemas que comprenden por lo general una serie de
etapas o procesos básicos que se efectúan según los requerimientos del
producto, entre los cuales se encuentran:
1. Proceso de precalentamiento.
2. Proceso de calentamiento.
3. Proceso de retención (en inglés, Holding).
4. Proceso de evaporación del agua excedente al vacío.
5. Proceso de regeneración o enfriamiento.
Considerando los procesos señalados anteriormente, otro principio
básico de los sistemas de calentamiento directo de productos alimenticios,
consiste en hacer pasar el producto alimenticio líquido de un tanque o
depósito de balance hacia una fase de precalentamiento, usualmente en un
intercambiador de calor de placas a temperaturas entre 70 y 80 °C (para un
procesamiento posterior a UHT). Seguidamente, el producto se hace pasar a
través de la bomba principal hacia el intercambiador de calor por inyección o
infusión de vapor. Luego de retener el producto en calentamiento durante el
tiempo requerido, se hace pasar a través de una válvula reductora hacia una
fase de evaporación del agua excedente en la fase anterior. La evaporación
del agua se lleva a cabo en una cámara donde se mantiene el producto a
una presión específica, correspondiente a la temperatura del mismo en la
fase de precalentamiento. De esta forma, el producto hierve
instantáneamente liberando el exceso de fluido y regresa a la temperatura
que poseía inicialmente en la fase de precalentamiento antes de la infusión o
inyección del vapor (Richardson, 2000).
La eliminación del agua excedente en el alimento, como se indicó
anteriormente, se lleva a cabo en una cámara de vacío, en la que se reduce
la presión para que el alimento, que se encuentra como líquido saturado, es
40
decir, a su temperatura y presión de saturación, libere mediante evaporación
el agua incorporada durante el calentamiento (Singh y Heldman, 1998).
Finalmente, el producto puede ser homogeneizado en caso de
requerirlo (Ej. la leche) y en una última fase es enfriado a temperatura
ambiente o de refrigeración mediante un intercambiador de calor indirecto,
usualmente un intercambiador de calor de placas o tubular (Richardson,
2000).
En la Fig. 17, se muestra un diagrama de proceso de esterilización de
leche mediante un sistema integrado de calentamiento directo del producto.
En las instalaciones que comprenden los sistemas de intercambio
directo de calor (capaces de procesar 9000 kg/h de producto), la
temperatura, las presión, el nivel, el flujo de producto, el funcionamiento de la
válvula de desviación de flujo y la secuencia de las operaciones de limpieza,
son controlados por un microordenador (Fellows, 2000).
Los intercambiadores de calor por infusión de vapor al igual que los
intercambiadores de calor por inyección de vapor empleados para el
procesamiento de alimentos son fabricados con acero inoxidable. Aun así,
ambos tipos de intercambiadores difieren en determinadas propiedades y por
ende son considerados separadamente (Lewis y Heppell, 2000).
Intercambiadores de calor por inyección de vapor. En los
intercambiadores de calor por inyección de vapor el producto a calentar,
generalmente, se alimenta por un tubo por la parte superior del
intercambiador y el vapor se alimenta por un tubo adyacente haciendo
contacto con las gotas de producto, como se muestra en la Fig. 18, que van
cayendo en forma de película. Como marco de referencia de las presiones y
41
Fig. 17. Diagrama del proceso de esterilización de leche mediante un sistema
integrado de calentamiento directo del producto.
Fuente: Lewis y Heppell, 2000.
42
Fig. 18. Calentamiento de un producto en un intercambiador de calor por
inyección de vapor.
Fuente: Singh y Heldman, 1998.
43
temperaturas del proceso, el vapor se inyecta a una presión de 965 kPa en
un producto líquido que ha sido precalentado a 76 °C, para elevar su
temperatura hasta 150 °C. Después de permanecer el alimento a esta
temperatura durante el tiempo necesario (2,5 s), se enfría por evaporación
hasta 76 °C, en una cámara a vacío relativo (Fellows, 1994).
Según Lewis y Heppell (2000), existen diversos diseños de
intercambiadores de calor por inyección de vapor o inyectores de vapor,
desarrollados y usados por distintos manufactureros, pero todos ellos tienden
a poseer los requerimientos de bajo costo y mínimas complicaciones de uso.
Existen 3 diseños típicos de intercambiadores de calor por inyección de
vapor, que se describen a continuación:
En el primer diseño, el tubo por el que fluye el producto posee la forma de
un difusor. En este equipo, el vapor se inyecta a través de 4 tubos que
rodean al tubo del producto. Una serie de orificios a lo largo de las líneas
de contacto del tubo que transporta el vapor con el tubo que transporta el
producto, permiten que el vapor entre en el alimento en forma de
pequeñas burbujas. Algunos de los orificios son elaborados radialmente y
otros en un ángulo que permite que se produzca mayor turbulencia en el
producto con el fin de incrementar la tasa de condensación.
En el segundo diseño, los tubos que transportan el vapor y el producto se
unen formando un cono. En este equipo el vapor es inyectado en un
ángulo cerrado a través del tubo por el que fluye el producto. El sitio
de unión entre el producto y el vapor posee forma cónica, lo cual
conduce a un mezclado y una condensación rápida del vapor.
En el tercer diseño, el producto pasa a través de un difusor y el vapor es
inyectado en la sección de expansión del difusor, donde la presión del
producto aumenta. El vapor es inyectado en un área delgada alrededor
del producto. Una segunda sección de difusión causa una caída de la
44
presión, seguida de un aumento de la misma dentro del inyector
generando la condensación y la difusión.
En la Fig. 19. se muestran los 3 diseños típicos de un intercambiador
de calor por inyección de vapor, antes mencionados.
Spirax Sarco Limited (2008), ha diseñado y ofrecido al mercado
intercambiadores de calor por inyección de vapor, parecidos a difusores,
como el descrito anteriormente, con las siguientes características:
Fabricados totalmente con acero inoxidable.
Diseño compacto, minimizando el ruido y la vibración.
Permiten el calentamiento eficiente del agua y otros fluidos.
Diversos tamaños, según el modelo:
o Modelo IN25M, diámetro nominal: 25 mm.
o Modelo IN40M, diámetro nominal: 40 mm.
Presión mínima y máxima de vapor saturado en el inyector de 0,5 a
17 bar, respectivamente.
Capacidad mínima de inyección de vapor saturado de 75 kg/h (en el
modelo IN25M) y 222 kg/h (en el modelo IN40M), a una presión de
0,5 bar.
Capacidad máxima de inyección de vapor saturado 1225 kg/h (en el
modelo IN25M) y 3200 kg/h (en el modelo IN40M), a una presión de
17 bar.
Temperatura máxima de trabajo 207 °C a 17 bar.
En la Fig. 20, se muestra el modelo de intercambiador de calor por
inyección de vapor diseñado y comercializado por Spirax Sarco Limited, con
las corrientes de entrada y salida del producto y vapor de agua.
45
Fig. 19. Diseños típicos de intercambiadores de calor por inyección de vapor:
a) primer diseño, b) segundo diseño y c) tercer diseño.
Fuente: Lewis y Heppell, 2000.
46
Fig. 20. Modelo de intercambiador de calor por inyección de vapor diseñado y
comercializado por Spirax Sarco Limited.
Fuente: Spirax Sarco Limited, 2008.
47
Según Richardson (2000), los sistemas que emplean intercambiadores
de calor por inyección de vapor son convenientes para el procesamiento de
productos líquidos con baja viscosidad, como la leche y los jugos de frutas. A
su vez, Singh y Heldman (1998), señalan que estos intercambiadores pueden
ser empleados en la cocción y/o la esterilización de concentrados de sopa,
chocolate, queso fundido, mezclas de helado y cremas pasteleras, entre
otros.
Intercambiadores de calor por infusión de vapor. Según Fellows
(2000), en los intercambiadores de calor por infusión de vapor el alimento
precalentado es rociado a través de orificios y cae en forma de fina película
a un recipiente que contiene vapor a elevada presión (450 kPa). En este
recipiente el producto se calienta en 0,3 s a temperaturas entre 142 y
146 °C y se mantiene a la temperatura deseada durante 3 s en un tubo
o sección de mantenimiento, evaporándose el vapor condensado
seguidamente en una cámara a vacío relativo hasta alcanzar una
temperatura entre 65 y 70 °C.
Según Richardson (2000), los intercambiadores de calor por infusión
de vapor fueron diseñados para procesar los mismos alimentos que pueden
ser tratados con los intercambiadores de calor por inyección de vapor, con la
diferencia de que en los primeros el tratamiento térmico es más delicado con
el producto. A su vez, en estos intercambiadores la cámara de vapor del
intercambiador es usualmente un recipiente con una base de forma cónica a
través de la cual el producto calentado pasa hacia el tubo de mantenimiento,
tal y como se muestra en la Fig. 21.
Es preciso tener en cuenta la calidad del vapor de agua en el
procesamiento por intercambio directo de calor. Esta agua debe ser potable,
libre de sustancias volátiles, aceites, suciedad o cualquier otro elemento que
48
Fig. 21. Intercambiador de calor por infusión de vapor.
Fuente: Sharma y otros, 2003.
49
pueda afectar una característica sensorial en particular, las características
sensoriales del producto o su inocuidad (Lewis y Heppell, 2000).
La corporación estadounidense SPX ha desarrollado y comercializado
sistemas de intercambio directo de calor por infusión de vapor en alimentos.
Estos sistemas poseen capacidades de procesamiento en el rango de los
1.000 hasta los 35.000 l/h, y ofrecen calentamiento instantáneo y delicado de
producto, asegurando tiempo de mantenimiento adecuado y rápido
enfriamiento. Entre los productos que se pueden procesar en este sistema se
encuentran: leche, crema de leche, productos de la leche de soya, queso
fundido y mezcla de helado entre otros (SPX Corp, 2008).
Existen algunas ventajas y limitaciones en el empleo de los
intercambiadores de calor directos en el procesamiento de alimentos, las
cuales se mencionan en la Tabla 3.
50
Tabla 3. Ventajas y limitaciones del uso de intercambiadores de calor
directos.
INTERCAMBIADORES DE CALOR DIRECTOS
INTERCAMBIADORES DE CALOR POR INYECCIÓN DE VAPOR
Ventajas. Limitaciones.
Proporcionan un calentamiento
instantáneo.
Se adaptan a alimentos
sensibles al calor.
Permiten la desodorización de
algunos alimentos como la
leche.
Solamente se adaptan a alimentos
de baja viscosidad relativa (hasta
1.5 N.m/s2).
Proporcionan relativamente poco
control sobre las condiciones de
procesamiento.
Requieren de vapor de agua
potable, lo que resulta más costoso
que el vapor usado para el
calentamiento indirecto.
La regeneración de la energía es
menor al 50 %, comparada con un
90 % en los intercambiadores de
calor indirectos.
La flexibilidad para trabajar con
diferentes productos es baja.
INTERCAMBIADORES DE CALOR POR INFUSIÓN DE VAPOR
Ventajas. Limitaciones.
Proporcionan un calentamiento
instantáneo del alimento a la
temperatura del vapor.
Permiten una elevada retención
Solamente se adaptan a alimentos
de baja viscosidad.
Proporcionan poco control
sobre las condiciones de
51
Tabla 3 (continuación).
de las propiedades sensoriales y
nutricionales del alimento.
Proporcionan mayor control sobre
las condiciones de procesamiento
que los intercambiadores de calor
por inyección de vapor.
Son más efectivos que los
intercambiadores de calor por
inyección de vapor al emplearlos
en el calentamiento de alimentos
ligeramente más viscosos.
Generan menor riesgo de
sobrecalentamiento en los
productos que los
intercambiadores de calor por
inyección de vapor.
procesamiento.
Requieren de vapor de agua
potable, lo que resulta más
costoso que el vapor usado para
el calentamiento indirecto.
La regeneración de la energía es
menor al 50 %, comparada con
un 90 % en los intercambiadores
de calor indirectos.
Proporcionan poca flexibilidad
para trabajar con diferentes
productos alimenticios.
Los inyectores del alimento
tienden a bloquearse con
facilidad.
Pueden producir la separación de
componentes en los alimentos.
Fuente: Lewis y Heppell, 2000.
52
APLICACIONES DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR EN LA
INDUSTRIA DE ALIMENTOS
La pasteurización es un tratamiento térmico relativamente suave,
donde se aplican temperaturas generalmente inferiores a 100 °C, que se
utiliza para prolongar la vida útil de los alimentos durante varios días (Ej. la
leche) o varios meses (Ej. frutas envasadas). Por otra parte, la esterilización
es aquella operación unitaria en la que los alimentos son calentados a una
temperatura suficientemente elevada, entre 121 y 138 °C, y durante un
tiempo prolongado, como para eliminar en ellos la actividad microbiana y
enzimática presente. Estos tratamientos se pueden realizar en productos
previamente envasados o en líquidos a granel, que posteriormente serán
sometidos a un envasado adecuado para su preservación. Cuando se
quieren aplicar tratamientos térmicos a alimentos líquidos, por lo general se
emplean intercambiadores de calor indirectos, siendo mayormente utilizados
los intercambiadores de calor de placas, los tubulares y los de superficies
rascadas (Fellows, 1994).
Aunque muchos de los intercambiadores de calor se pueden emplear
para aplicar un tratamiento de pasteurización (principalmente HTST, siglas
en inglés de “altas temperaturas y cortos tiempos”) de la leche, actualmente
se utiliza de forma universal el intercambiador de calor de placas con juntas.
En este equipo, la leche y el medio calefactor se distribuyen en capas finas
de gran área superficial, por las caras opuestas de cada placa. Las placas se
agrupan en secciones para el calentamiento, el enfriamiento y en la mayor
parte para la regeneración o recuperación (Varnam y Sutherland, 1995). La
leche, que entra en el intercambiador de calor a una temperatura de 4 °C
aproximadamente, se precalienta en la sección de regeneración, en donde el
intercambio de calor se produce entre la leche fría que se introduce y la leche
ya pasteurizada que sale del equipo. La leche precalentada pasa a la sección
53
de calentamiento (pasteurización), donde alcanza una temperatura entre 72 y
75 °C. La leche se mantiene a esa temperatura durante aproximadamente
15 s en el tubo de retención o de mantenimiento y pasa a través de una
válvula de desviación de flujo antes de volver a la sección de recuperación,
para ceder su calor a la leche que está entrando en el intercambiador. La
válvula de desviación de flujo, se activa cuando la leche no ha alcanzado la
temperatura requerida en el tratamiento y la desvía, haciéndola regresar al
tanque de leche cruda que alimenta al intercambiador de calor. Después de
circular por la sección de regeneración, la leche pasteurizada ya preenfriada
pasa por la sección de enfriamiento, donde se enfría a una temperatura igual
o inferior a 4 °C y sale del equipo para ingresar inmediatamente a la máquina
llenadora-envasadora (Early, 2000).
Otros productos alimenticios que reciben tratamientos industriales de
pasteurización HTST mediante intercambiadores de calor de placas son los
zumos de frutas, en cuyo caso el equipo se divide en 4 secciones, al igual
que en el caso del proceso de pasteurización de la leche (Ashurst, 1999).
Según Varnam y Sutherland (1995), el proceso de esterilización
industrial de la leche, también llamado tratamiento UHT, generalmente se
realiza mediante sistemas de calentamiento directo. Para ello, la leche cruda
que se va a esterilizar se precalienta en un intercambiador de calor de placas
hasta alcanzar una temperatura entre 70 y 80 °C. Básicamente se emplean 2
sistemas de esterilización UHT: el sistema de inyección de vapor en leche y
el sistema de infusión de leche en vapor. La planta de Uperización® APV se
suele utilizar como ejemplo de un sistema UHT por inyección de vapor, en
donde el equipo utiliza un inyector especialmente diseñado para producir una
gran turbulencia en la corriente de leche. Entre los sistemas de infusión se
incluye el de Pasilac®, en el que pequeñas gotas de leche se mezclan con el
vapor, y el sistema DaSi®, en el que la leche cae en forma de finas películas
54
en una atmósfera de vapor. La leche esterilizada, por cualquiera de los
sistemas anteriormente mencionados, pasa a un tubo de mantenimiento y a
continuación a una cámara de vacío, también conocida como válvula de
expansión. En esta etapa la temperatura de la leche desciende rápidamente
y la pérdida de energía resultante produce la evaporación del agua y otros
compuestos volátiles. Este proceso de enfriamiento instantáneo, posee 3
objetivos tecnológicos:
Enfriar muy rápidamente la leche para que su alteración térmica sea
mínima.
Eliminar el agua incorporada en la inyección de vapor para que la leche
conserve su composición original.
Extraer los compuestos de bajo peso molecular que tienen un efecto
negativo en la calidad organoléptica del producto.
En la industria de alimentos a menudo es deseable la acción
simultánea del mezclado que tiene lugar en los intercambiadores de calor de
superficie rascada, ya que esto favorece la homogeneidad del aroma, el
color, la textura y otras características de los productos. El empleo de estos
equipos en la industria se extiende a procesos de calentamiento,
esterilización, pasteurización, batido, gelificación, emulsificación y
cristalización, entre otros. Así mismo, en estos equipos pueden procesarse
alimentos fluidos de muy variadas viscosidades, como zumos, sopas,
concentrados de frutas, mantequilla, puré de tomate, crema pastelera y
mezclas de helados, entre otros productos (Singh y Heldman, 1998).
De igual manera, la aplicación industrial de las técnicas de
modificación de las grasas, especialmente la cristalización fraccionada, ha
permitido la obtención de una mantequilla más fácilmente extensible por
mezclado de una fracción dura con una fracción blanda. La tecnología
utilizada consiste en la mezcla de las fracciones, la refrigeración en un
55
intercambiador de calor de superficie rascada y la texturización. A su vez, en
la fabricación de margarina existe una amplia utilización del intercambiador
de calor de superficie rascada, donde el proceso inicia con la preparación por
separado de 2 fases o mezclas: por un lado, se mezclan las grasas y el
aceite y se añade el emulsionante, y por otra parte, se prepara una leche a
partir de agua y una fuente proteica en polvo y se incorporan otros
ingredientes solubles en agua como la sal y los conservantes. A
continuación, las 2 fases se introducen en la unidad de emulsificación a
45 °C y se mezclan en condiciones de agitación vigorosa. Generalmente, en
esta etapa del proceso se añade una mezcla previamente preparada de
aromatizantes, vitaminas y colorante, luego la emulsión se enfría
inmediatamente en un intercambiador de calor de superficie rascada para
iniciar la cristalización. El refrigerante empleado en este caso puede ser
amoníaco ó freón 12, ya que se requieren temperaturas entre -20 y -10 °C, y
en el referido equipo, el rotor hace girar las paletas o cuchillas del
intercambiador a una velocidad promedio de 500 rpm. Las elevadas
presiones internas y las fuerzas de cizalla que se generan, favorecen la
dispersión de la fase acuosa en forma de pequeñas gotas e inducen la
nucleación y la cristalización de la grasa durante los 10 a 20 s que
permanece en el cilindro. Finalmente, el producto sale del equipo como una
emulsión sobreenfriada (Varnam y Sutherland, 1995).
Así mismo, en la industria de los helados, después del tratamiento
térmico de la mezcla de ingredientes, ésta debe refrigerarse lo más
rápidamente posible hasta una temperatura de 4 °C. La mezcla se mantiene
a 4 °C para su maduración, proceso que consiste en la hidratación de las
proteínas de la leche, la cristalización de las grasas y la absorción de agua
por parte de los hidrocoloides añadidos. La refrigeración de la mezcla, hasta
1 ó 2 °C en un intercambiador de calor de superficie rascada, permite
tiempos de maduración más cortos (Varnam y Sutherland, 1995).
56
Un tipo de intercambiador de calor que también resulta de gran
relevancia en la industria de alimentos lo constituye los intercambiadores de
calor de tubos con aletas. Estos representan una de las principales partes de
los sistemas de refrigeración por compresión mecánica de gases
refrigerantes, que a su vez forman parte de unidades de refrigeración o
congelación por convección forzada de aire. En estos equipos el aire
propulsado por un ventilador se enfría al pasar por el intercambiador de calor
de tubos con aletas (evaporador) por el que circula un gas refrigerante en un
ciclo de compresión de gases, donde la temperatura del aire enfriado puede
alcanzar hasta -40 °C. En la industria de alimentos se pueden encontrar
refrigeradores y congeladores por convección forzada de aire con diversas
capacidades, los cuales se emplean en la refrigeración de vegetales frescos
como frutas y hortalizas, así como en la congelación de carnes de aves,
pescados, bovino y porcino, entre otros (Barreiro y Sandoval, 2006).
57
ENSUCIAMIENTO EN LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR
El ensuciamiento o formación de depósitos, también llamado
incrustación, en los intercambiadores de calor, es un asunto muy común y
complejo en las industrias de procesamiento de alimentos, así como en otras
industrias donde se llevan a cabo operaciones de transferencia de calor entre
fluidos (Jun y Puri, 2004).
Según HRS Spiratube, S.L. (2008), los mecanismos por los cuales se
produce el ensuciamiento varían con la aplicación, pero pueden ser
ampliamente clasificados en 4 tipos claramente identificables:
Ensuciamiento químico: en el que cambios químicos en el fluido causan
que se deposite una capa de impurezas sobre la superficie interna o
externa de los tubos. Un ejemplo común de este fenómeno es la
expansión en una olla o caldera causada por el depósito de sales de
calcio en los elementos de calentamiento, conforme la solubilidad de las
sales disminuye al aumentar la temperatura. Este tipo de ensuciamiento
está fuera del control del diseñador de intercambiadores de calor, pero
puede ser minimizado controlando cuidadosamente la temperatura del
tubo en contacto con el fluido. Cuando se presenta este tipo de
ensuciamiento normalmente es eliminado mediante tratamiento químico o
procesos mecánicos (cepillos de acero, taladros o incluso pistolas de
agua a alta presión en algunos casos).
Ensuciamiento biológico: causado por el crecimiento de microorganismos
en el fluido que se depositan en la superficie. Este tipo de ensuciamiento,
también está fuera del control del diseñador del intercambiador pero
puede verse influido por la elección de los materiales de construcción ya
que algunos, como los latones no ferrosos, son venenosos para algunos
organismos. Cuando se presenta este tipo de ensuciamiento
58
normalmente es eliminado mediante tratamiento químico o procesos
mecánicos abrasivos.
Ensuciamiento por depósitos: en el que las partículas en el fluido se
acumulan en la superficie del equipo cuando la velocidad de
procesamiento cae por debajo de cierto nivel crítico. Esto está en gran
medida bajo el control del diseñador, ya que la velocidad crítica de
cualquier combinación fluido/partícula puede ser calculada para permitir
un diseño en el que la velocidad mínima del fluido sea siempre mayor que
la crítica. Cuando se presenta este tipo de ensuciamiento normalmente es
eliminado mediante procesos de cepillado mecánico.
Ensuciamiento por corrosión: en el que una capa producto de la corrosión
se acumula en la superficie del tubo, formando una capa adicional,
normalmente de material con un alto nivel de resistencia térmica.
Mediante la elección adecuada de los materiales de construcción, los
efectos pueden ser minimizados ya que existe a disposición del fabricante
de intercambiadores un amplio rango de materiales resistentes a la
corrosión, basados en acero inoxidable.
El ensuciamiento de los intercambiadores de calor en el
procesamiento de los alimentos consiste principalmente en la formación de
una capa de depósitos o agregados de proteínas (sobre todo de la leche y
los derivados lácteos), sales minerales, ácidos orgánicos y azúcares, entre
otras sustancias orgánicas e inorgánicas procedentes de los alimentos y, en
el caso de las sales minerales, del agua (Fryer y Belmar-Beiny, 1991).
Según Amigo (2000), las principales sales minerales, causantes de
ensuciamiento en los intercambiadores de calor, que se encuentran disueltas
en el agua son:
Carbonato de calcio (CaCO3).
Bicarbonato de calcio (Ca [HCO3]2).
59
Carbonato de magnesio (MgCO3).
Bicarbonato de magnesio (Mg [HCO3]2).
Sulfato de calcio (CaSO4).
Sulfato de magnesio (MgSO4).
Silicato de calcio (CaSiO3).
Silicato de magnesio (MgSiO3).
Cloruro de calcio (CaCl2).
Cloruro de magnesio (MgCl2).
Jun y Puri (2004), señalan que el ensuciamiento posee un profundo
efecto en la frecuencia de limpieza de los intercambiadores de calor y el
tiempo necesario para retornar a condiciones satisfactorias de procesamiento
de alimentos. En consecuencia, el ensuciamiento representa un costo mayor
en función de capital, energía, trabajo y recursos materiales para al sector
agroindustrial.
El rendimiento de los intercambiadores de calor suele disminuir con el
paso del tiempo como resultado de la acumulación de depósitos sobre las
superficies de transferencia de calor, ya que esto representa una resistencia
térmica adicional, y es por ello que el ensuciamiento debe considerarse
durante el diseño y la selección de los intercambiadores de calor. En algunos
casos, puede que sea necesario seleccionar un intercambiador de calor más
grande y, por ende, más caro, para garantizar que satisfaga los requisitos de
transferencia de calor, incluso después de que ocurra el ensuciamiento
(Çengel, 2007).
60
CONCLUSIONES
Los intercambiadores de calor poseen diversas clasificaciones, siendo
más aceptada la clasificación según el tipo de contacto que realizan con
el producto que calientan o enfrían.
Los intercambiadores de calor de tubos coaxiales, los de placas y los
directos, son empleados para calentar o enfriar alimentos de baja
viscosidad relativa, mientras que los intercambiadores de calor de
carcasa y tubos y los de superficie rascada son, por lo general,
mayormente empleados para procesar fluidos con viscosidades
relativamente mayores.
El material de fabricación de los intercambiadores de calor es
principalmente el acero inoxidable, sin embargo, los intercambiadores de
calor de tubos con aletas pueden ser también de materiales como cobre o
aluminio.
En los intercambiadores de calor de tubos concéntricos, de superficie
rascada y de placas, los fluidos se transportan básicamente en paralelo,
con flujo en contracorriente, mientras que en los intercambiadores de
calor de carcasa y tubos y en los de tubos con aletas la dirección de flujo
generalmente es cruzada.
Los intercambiadores de calor se emplean por lo general para efectuar
operaciones de pasteurización, ultra pasteurización, esterilización o
enfriamiento de alimentos de baja viscosidad como leche, zumos y
néctares de frutas, productos de cervecería, vinos, sopas y aceites
comestibles, entre otros, sin embargo, también se emplean para procesar
alimentos de viscosidades más elevadas, tales como salsa de tomate,
jarabes de caramelo o chocolate, mezclas de helado, mostaza, jalea de
maní, jugos concentrados, gelatinas, purés de vegetales y queso crema,
entre otros.
61
El ensuciamiento de los intercambiadores de calor en la industria de los
alimentos es un hecho común debido a la adherencia en el equipo de
componentes provenientes del medio calefactor o refrigerante, o del
propio alimento, que tienden a generar problemas de rendimiento del
intercambiador, lo cual pudiera traer como consecuencia un aumento en
los costos de fabricación de los productos.
62
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