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UNIVERSIDAD NACIONAL “PEDRO RUIZ GALLO” FACULTAD DE INGENERIA QUIMICA E INDUSTRIAS ALIMENTARIAS ESCUELA DE INGENIERIA INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR UTILIZADOS EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA DOCENTE: Dr. Luis Antonio Pozo Suclupe.

ASIGNATURA: INGENIERÍA DE LOS ALIMENTOS I

ALUMNO:

Bravo Acuña Sheyli Celinda Fernández Villanueva Luis Angel Mío Chumacero Fiorella Lily Paredes Villalobos Sarita

CICLO: VI

Chiclayo, 24 de octubre del 2020 .

TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR USADOS EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA

En una planta de procesos de alimentos el calentamiento y enfriamiento se lleva a cabo en equipos llamados cambiadores de calor. Estos pueden clasificarse de forma general en directos e indirectos, en los cambiadores indirectos el producto y el agente calefactor o refrigerante se mantienen separados físicamente mediante una pared metálica mientras que en los cambiadores de calor directo hay contacto físico entre el producto y el agente calefactor o refrigerante.

DE CONTACTO DIRECTO

INTERCAMBIADORES CALOR

 Inyección de vapor

DE

DE CONTACTO INDIRECTO

NOTA: Elaboración propia (2020) I. INTERCAMBIADORES DE CONTACTO DIRECTO

 Placas  Tubular  De superficies rascadas

1.1. INYECCIÓN DE VAPOR En estos tipos de cambiadores, el contacto entre el vapor y el producto a calentar se da manera directa (Figura 1). El producto que se va a calentar se alimenta por la parte superior del cambiador y cae en forma de película; y es la viscosidad la que va a determinar el tamaño de los difusores a instalar, debido a estos diseños especiales es que pueden utilizarse productos particulados como verduras en forma de cubos, trozos de carne o arroz, cuando el vapor entra en contacto con las pequeñas gotas de producto, la transmisión de calor es óptima y la temperatura aumenta rápidamente debido a la condensación del vapor, luego el producto caliente junto con el vapor condensado sale por el fondo de la cámara; en esta zona se retiene una determinada cantidad de líquido hasta alcanzar el punto deseado de cocción. (Singh y Heldman, 2009) Estos cambiadores se utilizan para la cocción y/o esterilización de una gran variedad de alimentos como concentrados de sopa, chocolate, queso, «mix» de helado, pudines, cremas pasteleras, leche, etc. (Singh y Heldman, 2009) La gradiente de temperatura entre la entrada y la salida del producto puede variar ampliamente; puede ser tan baja como 5,5°C en la desodorización de la leche (76,7-82,2°C) o tan alta como 96,7°C, en la esterilización de pudines previa a su envasado aséptico (48,9145,6°C).El agua añadida al alimento durante el proceso, debido a la condensación del vapor, puede ser apreciada pero si no lo es puede eliminarse mediante una evaporación «flash» a través de un sistema de enfriamiento a vacío. (Singh y Heldman, 2009)

Fig.1. Intercambiador de calor por inyección de vapor II. INTERCAMBIADORES DE CONTACTO INDIRECTO 2.1. CAMBIADORES DE CALOR DE PLACAS Los cambiadores de placas se inventaron hace más de 60 años y se crearon con la finalidad de atender las necesidades agroalimentarias sobre todo la de las industrias lácteas y de bebidas. En la Figura 2 se muestra el gráfico de una placa de cambiador, donde este tipo de cambiador está compuesto de una serie de placas de acero inoxidable ajustadas cada una contra la que sigue y

montadas sobre un bastidor entre un cabezal fijo y otro móvil, entre estos 2 cabezales hay unos tirantes que ejercen presión necesaria para evitar que entren partículas externas al interior en las juntas. (Casp y Abril, 2003).

Figura 2: a) cambiador de calor de placas. un fluido entre placas.

b) Esquema del flujo de

Estas juntas permiten conducir la corrientes de fluido calefactor o refrigerante y la de producto de manera que ambos circulen por placas alternas. Los flujos de producto y agente calefactor/refrigerante pueden ser en paralelo (en el mismo sentido) o en contracorriente (en sentido contrario). Estas placas suelen tener figuras geométricas grabadas en la superficie para provocar un aumento de la turbulencia en el fluido que circula, mejorando así la transmisión de calor. (Singh y Heldman, 2009)

Estos intercambiadores de calor son usados en adecuados para líquidos de baja viscosidad (menos de 5 Pa.s). Si en el fluido existen partículas en suspensión cuyo diámetro es mayor a 0,3 cm, pueden provocar cortocircuitos, produciendo sobrecalentamientos. (Singh y Heldman, 2009) En la figura 3 puede observarse dos tipos de geometrías en las acanaladuras de las placas: rectas y en uve. Las acanaladuras rectas son perpendiculares a la dirección principal de circulación del fluido y paralelas entre ellas, el fluido al circular por estas placas sufre cambios continuos de dirección permitiendo velocidades de circulación comprendidas entre 0,1 y 2 m/s. Las acanaladuras en uve presentan un ángulo de inclinación con respecto a la dirección principal de circulación del fluido que permitirán el funcionamiento de la placa, la velocidad media de circulación entre dos de estas placas es del orden de 0,1 a 1 m/s. En el mercado se encuentran con ángulos de 30 y 60°. (Casp y Abril, 2003).

Figura 3: Tipos de geometrías en las placas.

Los límites a los que están condicionados estos tipos de transportadores de calor es que están condicionados a presiones máximas de 16 a 20 bar, que son suficientes para su empleo en las industrias lácteas y de bebidas, otro factor a la que está limitada su uso es la temperatura máxima de trabajo, que es función de la naturaleza de las juntas empleadas en las cuales solo se admite como temperatura límite de utilización 150°C, que también es suficiente para el uso en este tipo de industrias. (Casp y Abril, 2003). 2.1.1. FUNCIONAMIENTO Parta que estos intercambiadores funcionen se debe de introducir 2 fluidos: frío y caliente en los orificios de conexión que se encuentran entre las placas de manera alternativa, donde un fluido es conducido por canales impares y el otro por canales pares, ambos fluidos se encuentran separados por una delgada placa a través del cual se genera transferencia de calor. La distribución de canales distribuidos en las juntas impares no permite la entrada del fluido que circula por los canales pares y viceversa. En la figura 4 se puede observar la entrada de los flujos en contracorriente. (Fuller, 1982)

Figura 4: Distribución de flujos

Según cómo estén dispuestas las placas pueden obtenerse diferentes posibilidades en los pasos de los fluidos. Así, se pueden combinar las placas de forma que se obtienen distribuciones como las mostradas en la figura 5, y que a continuación se comentan:  Flujo en serie, en la que una corriente contínua cambia la dirección después de cada paso.  Flujo en paralelo, en la que la corriente se divide en varias subcorrientes para, una vez pasado por las placas, volver a converger.  Disposición en Z, en la que ambas corrientes fluyen en paralelo, pero el punto de salida se encuentra en el lado opuesto del de entrada.  Disposición en U, en la que ambas corrientes fluyen en paralelo, pero los pun-tos de entrada y salida se encuentran en el mismo lado del intercambiador. (Ibarz, Barbosa-Cánovas,2005)

Figura 5: Circulación de los fluidos para diferentes disposiciones.

Para los casos en la que el fluido fluye de manera paralela en paralelo se conseguirá una pérdida de carga mínima para un caudal importante y un intercambio reducido, ya que se dispone la mínima superficie de intercambio por paso. (Casp y Abril, 2003). Mientras que para los casos donde el fluido fluye en serie se encontrará una pérdida de carga máxima para un caudal reducido y para el máximo intercambio térmico. (Casp y Abril, 2003). 2.2. INTERCAMBIADORES DE CALOR TUBULARES Acá se agrupan todos los cambiadores de calor en los que la superficie de intercambio está formada por tubos, con estos equipos se pueden tratar líquidos de viscosidad baja, media e incluso alta donde también influye el diámetro de los tubos. Desde el punto de vista de la transmisión de calor son de eficiencia media. (Casp y Abril, 2003). 2.2.1. CAMBIADORES DE TUBOS COAXIALES Consta de dos tuberías concéntricas una en el interior de otras unidas por codos, donde circulan dos fluidos, uno por el espacio anular y el otro fluido (agente refrigerante/calefactor) por la tubería interior. (Singh y Heldman, 2009) Los tubos que se emplean en la fabricación de estos cambiadores pueden ser rectos o corrugados, donde con estos últimos se obtiene una mayor superficie de transferencia y una mayor turbulencia en la circulación. En la figura 6 se puede ver el diagrama de un cambiador de calor de tubo corrugado (un canal) formados por tubos concéntricos.

Figura 6: Cambiador de calor de tubos coaxiales corrugados.

Estos cambiadores también pueden construirse en un montaje multicanal, ver figura 7. En este caso se colocan encima varios tubos coaxiales ubicados de forma correcta por medio de los cabezales que además permiten la recuperación de los dos fluidos al final de cada tramo. Los dos fluidos circulan, generalmente en contracorriente, en los canales anulares alternados formados por los tubos concéntricos. (Casp y Abril, 2003). Algunas aplicaciones industriales son el calentamiento intenso de zumo de naranja de 4oC a 93°C y posterior enfriamiento otra vez a 4°C, el enfriamiento del agua de lavado del requesón de 46 oC a 18°C con agua fría. (Singh y Heldman, 2009)

Figura 7: Cambiador de calor de tubos coaxiales multicanal.

Los cabezales situados en los dos extremos de los tubos actúan de distribuidores así como de colectores, abasteciendo un fluido a un grupo de canales y recogiendo el otro fluido del otr4o grupo de canales. La configuración corrugada de los tubos mantiene a los dos fluidos en un estado de turbulencia para conseguir la mayor eficiencia en la transmisión de calor. (Casp y Abril, 2003). En la figura 8 se puede observar de manera clara las entradas y salidas diferenciadas para los dos fluidos: unas verticales para el fluido calefactor (que circulará entre el tubo central y el externo), y otras horizontales para el producto (que circulará por el tubo central).

Figura 8: Cambiador de calor de tubos coaxiales

2.3 INTERCAMBIADORES DE SUPERFICIES RASCADAS En los cambiadores tradicionales la transmisión de calor está influenciada por la pérdida de carga por fricción y la resistencia a la transmisión de calor provocada por el «ensuciamiento» de las paredes, esta puede disminuir si la superficie se rasca continuamente por medios mecánicos. La acción de rascado permite una transmisión de calor rápida a un producto de volumen pequeño. (Singh y Heldman, 2009) En la Figura 9 se muestra un diagrama de un cambiador de superficie rascada usado en el procesado de alimentos.

Fig. 9: Cambiador de calor de superficie rascada

Entre los materiales que forman la superficie que está en contacto con los alimentos de este intercambiador tenemos: acero inoxidable (tipo 316), níquel, cromo-níquel entre otros materiales resistentes a la corrosión (Singh y Heldman, 2009) Su velocidad varía entre 150 y 500 revoluciones por minuto; una mayor velocidad permite una mejor transmisión de calor sin embargo esto puede dañar la calidad del producto provocando su maceración, es por eso que debe elegirse cuidadosamente la velocidad y el tamaño del rotor para cada alimento a procesar. La tubería por la que circula el producto a calentar/enfriar (Fig. 9), y que contiene el rotor, está a su vez contenida en el interior de otra, en la que circula el agente calefactor/refrigerante. Este agente calefactor/refrigerante puede ser: salmuera, agua caliente, vapor u otro refrigerante. La temperatura a la que puede trabajar este tipo de calentador puede oscilar entre -35°C y 190°C. La acción de mezclado que tiene lugar en los cambiadores rascados es casi siempre deseada, ya que favorece la homogeneidad del aroma, color, textura u otras características del alimento. El uso de estos tipos de intercambiadores de calor en la industria alimentaria está dirigido a procesos de calentamiento, gelificación, emulsificación, batido, pasteurización, plastificación, cristalización, etc. (Singh y Heldman, 2009) Los intercambiadores de superficie rascada están diseñados para trabajar con alimentos de viscosidad elevada como: sopas, mantequilla, puré de tomate, cremas pasteleras, purés, concentrados de frutas, etc; pueden soportar grandes presiones de trabajo en el lado del producto (hasta 40 bar). (Casp y Abril, 2003).

CONCLUSIONES Se pudo determinar que los intercambiadores de calor de placas son usadas principalmente en industrias lácteas e industrias de bebidas debido a que los líquidos son de baja viscosidad, además las partículas en suspensión de estos son de diámetro menor a 0.3 cm Se concluye que para entender el funcionamiento de cada uno de los tipos de intercambiadores de calor es necesario identificar su operación, fabricación y superficie de intercambio. Se concluye que los intercambiadores de calor poseen diversas clasificaciones, siendo la más común la clasificación según el tipo de contacto que realizan con el producto que calientan o enfrían. Se determinó que los intercambiadores de calor de tubos coaxiales, de placas, son empleados para calentar o enfriar alimentos de baja viscosidad, mientras que los intercambiadores de calor de superficie rascada son empleados mayormente para fluidos con viscosidades relativamente altas. Se identificó que el principal material de fabricación de los intercambiadores de calor el acero inoxidable.

BIBLIOGRAFÍA Casp, A. y Abril, J. (2003). Procesos de conservación de alimentos. Edit. Mundi-Prensa. Madrid, España. Fuller, R. (1982): Los intercambiadores térmicos de placas. Ed. Industrial World Ibarz, A., & Barbosa-Cánovas, G. (2005). Operaciones unitarias en la Ingeniería de Alimentos. Edit. Mundi-prensa. Singh, P., & Heldman, D. (2009). Introducción a la Ingeniería de los Alimentos (2.a ed.). ACRIBIA.