Elección del intercambiador de calor adecuado para sus necesidades de procesamiento de alimentos
Por Arnold Kleijn, Gerente de desarrollo de productos, HRS Heat Exchangers
El procesamiento térmico es una parte esencial de la producción de alimentos. Ya sea cocción, pasteurización, esterilización, calentamiento o enfriamiento de productos, es casi seguro que la mayoría de los productores de alimentos van a utilizar un intercambiador de calor para llevar a cabo estos procesos térmicos. Sin embargo, con tal variedad de aplicaciones posibles, es importante seleccionar el intercambiador de calor adecuado para las necesidades individuales de cada uno.
Conozca su proceso
Hay una amplia variedad de intercambiadores en el mercado: de placas, tubulares, de tubo corrugado, de superficie rascada, etc. Cada uno es apto a una aplicación particular, así que es importante tener en cuenta su proceso, incluyendo la naturaleza de los materiales a calentar o enfriar, así como el objetivo del proceso (si se busca cocción o pasteurización) y cualquier restricción del entorno en el que se vaya a utilizar el intercambiador de calor.
La fuerza motriz de la transferencia térmica es la diferencia de temperatura entre las dos sustancias (normalmente son fluidos, pero no siempre). En el caso de un intercambiador de calor tubular liso, la temperatura de dos fluidos simples, como el agua y la leche, cambia a medida que pasan a través del intercambiador de calor. Una de las razones para fabricar tubos corrugados e intercambiadores de calor de superficie rascada es que son adecuados para fluidos y productos con propiedades complejas, como son los fluidos viscosos y no newtonianos -natillas y salsas-, o para productos que contienen partículas o sedimentos, como los purés de fruta. Por lo tanto, para ayudar a seleccionar el intercambiador de calor adecuado, siempre debe tenerse en cuenta el producto a procesar y es recomendable buscar asesoramiento profesional del fabricante para que le ayude en este proceso.
El tamaño no lo es todo
Una vez que hemos elegido el intercambiador adecuado, los procesadores de alimentos deben asegurarse de que el modelo suministrado esté correctamente dimensionado para su cometido. En otras palabras, que ofrezca la cantidad correcta de transferencia de calor para el fluido que se está tratando y el caudal requerido. El intercambiador de calor debe tener un área de transferencia de calor lo suficientemente grande para los fluidos, así como temperaturas de entrada y salida especificadas. La mayoría de los cálculos también deben tener en cuenta otras variables, como si el intercambiador de calor funciona utilizando flujo en contracorriente o flujo en paralelo.
Rompiendo barreras
Otro factor importante que influye en la transferencia térmica es la resistencia al flujo de calor a través de las diversas «capas» que forman una barrera entre los dos fluidos. Hay cinco capas:
- La «capa límite» interna, formada por el fluido que fluye en estrecho contacto con la superficie interior del tubo.
- La capa de ensuciamiento formada por deposición de sólidos o semisólidos en la superficie interior del tubo (que puede estar o no presente).
- El espesor de la pared del tubo y el material utilizado, que regirá la resistencia al flujo de calor a través del propio tubo.
- La capa de ensuciamiento formada por deposición de sólidos o semisólidos en la superficie exterior del tubo (que puede estar o no presente).
- La «capa límite» exterior formada por el fluido que fluye en estrecho contacto con la superficie exterior del tubo.
Los valores para los números 2 y 4 normalmente son suministrados por el cliente, basándose en su propia experiencia, mientras que el diseñador del intercambiador de calor seleccionará el tamaño del tubo, el grosor y los materiales para adaptarse a la aplicación. La resistencia al flujo de calor resultante de los números 1 y 5 (conocidos como coeficientes parciales de transferencia de calor) depende tanto de la naturaleza de los fluidos como de la geometría de las propias superficies de transferencia térmica.
Provocando turbulencias
Una forma de evitar la acumulación de estas capas es aumentar la velocidad a la que el fluido pasa a través del intercambiador de calor, de manera que se crea una turbulencia y la capa límite se separa de la superficie del tubo. Este es el punto en el que el llamado flujo laminar (con el fluido que pasa a través de capas lisas, donde la capa más interna fluye a una velocidad mayor que la más externa), se convierte en flujo turbulento (donde el fluido no fluye en capas lisas, pero se mezcla o agita mientras fluye).
La velocidad a la que esto ocurre está influenciada por muchos factores diferentes, pero para poder diseñar el intercambiador de calor, los ingenieros se apoyan en el número Reynolds. Esto se determina por el diámetro del tubo, la velocidad de masa del fluido y su viscosidad. Los números Reynolds de menos de 2.100 describen flujos laminares, mientras que los números por encima de 10.000 describen flujos turbulentos completos. Entre los dos valores se encuentra un área de incertidumbre, llamada zona de transición, donde se observa una transición general desde el flujo laminar completo hasta el flujo turbulento completo. En la práctica, los ingenieros tratan de proporcionar soluciones fuera de esta zona. La deformación del tubo, como la ondulación, ayuda a aumentar el rendimiento de transferencia de calor una vez que entra en el área de flujo turbulento (Reynold> 2100). Esta es la principal razón para utilizar intercambiadores de calor de tubos corrugados.
Sin embargo, también es importante que la creciente turbulencia en el flujo del material no cree problemas con el producto en sí. Por ejemplo, con salsa para pizza, la turbulencia excesiva puede hacer que la salsa se vuelva muy líquida y no apta para el consumo. En estos casos, los intercambiadores de calor de tubos corrugados son inadecuados y se pueden aplicar modelos de superficie rascada, optimizando las velocidades del rascador para optimizar el comportamiento de corte. A su vez, esto requiere realizar diferentes cálculos, aunque las propiedades térmicas y físicas del producto sigan siendo las mismas.
Cálculos de última generación
Como con cualquier tipo de ciencia, la matemática y la comprensión de la dinámica térmica continúan evolucionando y mejorando. Sin embargo, gran parte de la literatura comúnmente utilizada para construir cálculos y modelos de rendimiento del intercambiador de calor puede ser de hace 80 años y no siempre reflejan la ciencia más reciente. Además, aunque hay literatura científica para el comportamiento de fluidos en tubos lisos y corrugados, hay pocos datos publicados sobre los intercambiadores de calor de superficie rascada.
Basándonos en nuestra experiencia y los datos científicos más recientes disponibles, HRS ha creado un nuevo programa informático de última generación que calcula el tamaño necesario de nuestros intercambiadores de calor y que ya está produciendo resultados interesantes y dando nuevas perspectivas sobre la mejor manera de diseñar intercambiadores de calor tubulares y de superficie rascada, proporcionando además unos niveles de rendimiento excepcionales.