Sistema de control del proceso de evaporación a vacío

SISTEMA DE CONTROL DEL PROCESO DE EVAPORACIÓN A VACÍO
Abril Requena, J.* y Gómez Ochoa de Alda, J.J.
Tecnología de Alimentos. Universidad Pública de Navarra.
Campus Arrosadia. 31006 Pamplona
e-mail: [email protected]
PALABRAS CLAVE: Evaporación a vacío; control de proceso; evaporación por
cargas
RESUMEN
En la industria agroalimentaria es frecuente el uso de concentradores por evaporación
que trabajan a vacío para que la eliminación de agua del alimento se produzca a una
temperatura moderada, generalmente inferior a los 60ºC.
En muchos casos no es necesario fijar la temperatura a la que se produce la ebullición,
solamente se debe controlar que el condensador sea capaz de condensar todo el vapor
producido, de forma que se eviten los daños a la bomba de vacío, asegurando en todo
momento que no se supera la temperatura máxima fijada.
El evaporador para el que se ha desarrollado el sistema de control está formado por una
marmita de doble pared que actúa de cuerpo del evaporador, un enfriador Peltier, que
actúa de condensador, una bomba de vacío y un calentador para el agua que circula por
la camisa de calentamiento de la marmita, que regula la temperatura del fluido
calefactor a la temperatura máxima a la que se desea que se produzca la evaporación.
El sistema de control del proceso de evaporación que se ha desarrollado toma la
temperatura del condensador y a partir de este valor regula la presión en el evaporador,
abriendo y cerrando la válvula de vacío, de forma que el condensador sea siempre capaz
de condensar todo el vapor que le llegue y no se produzca ninguna fuga que pueda
deteriorar la bomba. Se consigue así que el proceso de evaporación se produzca a la
velocidad que permite la potencia frigorífica instalada en el condensador.
INTRODUCCIÓN
La concentración de muchos alimentos se debe producir a presión reducida para que las
temperaturas de trabajo sean lo suficientemente bajas para no alterar las propiedades del
producto concentrado.
Un proceso de esta naturaleza se puede realizar manteniendo constante la temperatura
de evaporación del alimento (y por ello la presión a la que se produce esta evaporación),
o bien permitiendo que la temperatura de ebullición varíe, siempre y cuando se
mantenga por debajo de la temperatura máxima fijada. El primer caso es habitual para
los procesos en continuo, mientras que el segundo puede emplearse en los procesos por
cargas.
En este trabajo se muestran los resultados obtenidos por un sistema de control del
proceso de evaporación montado en un evaporador a vacío por cargas, con el que se
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consigue que la evaporación se produzca al ritmo que permita la potencia instalada en el
condensador.
MATERIALES Y MÉTODOS
El sistema de control se ha desarrollado para un evaporador a vacío cuyo esquema
puede verse en la figura 1.
Vapor
Condensador
Peltier
Marmita
con camisa
Válvula de
vacío
Calentador
de agua
Bomba de
vacío
Concentrado
Condensado
Figura 1.- Esquema del evaporador a vacío
Consta de una marmita con camisa de calefacción, que actúa de cuerpo del evaporador,
calentada por una corriente de agua que se mantiene a la temperatura de trabajo
mediante un calentador eléctrico. El vapor producido se lleva a un sistema frigorífico
Peltier, que está situado antes de la bomba de vacío, y que actúa como condensador.
Ente la bomba de vacío y el condensador se encuentra la válvula de vacío con la que se
controla la presión en el evaporador.
El sistema esta gobernado por una tarjeta de control basado en el microcontrolador
PIC16F877 al cual van conectadas: 4 entradas analógicas (temperaturas de producto, de
la camisa y del condensador y la presión de evaporación), 6 salidas digitales (las
electroválvulas de vacío y de entrada de aire y los relés de la bomba de agua, de la
bomba de vacío, de la resistencia de calentamiento y de la célula Peltier) y el puerto
serie RS232 para conexión a PC y monitorización del proceso.
El automatismo dispone de 3 partes bien diferenciadas: puesta a régimen del equipo (en
la que se produce el enfriamiento del condensador y el calentamiento de la camisa del
evaporador a la temperatura de consigna fijada), proceso de evaporación (en el que
actúa el programa de control objeto de este trabajo) y fin de proceso (en el que se
produce el cierre de la electroválvula de vacío, el paro de la bomba de vacío y se la
apertura de la entrada de aire).
El programa de control realiza la lectura de la presión en el evaporador y de la
temperatura en el condensador Peltier, y a partir de estos datos decide la apertura o el
cierre de la válvula de vacío.
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El diagrama de flujo de los pasos del programa de control se muestra en la figura 2.
Como puede observarse, se trata de un bucle en el que se decide si se modifica o no la
apertura de la válvula de vacío, en función de la temperatura del condensador y de la
presión en el cuerpo del evaporador.
Leer temp. condensador
tc
tc + 2ºC
Calcular presión saturación de tc + 2ºC
Ps1
tc + 5ºC
Calcular presión saturación de tc +5ºC
Ps2
Sí
Pr > Ps2
Abrir válvula
vacío
No
Sí
Pr > Ps1
Mantener
posición
válvula
No
Cerrar válvula
vacío
Figura 2.- Diagrama de flujo de los pasos del programa de control
En primer lugar se toma la temperatura en el cuerpo del condensador y se calcula la
presión de saturación para esta temperatura más 2 y más 5ºC.
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El paso siguiente es comparar las presiones de saturación calculadas con la presión a la
que se encuentra el cuerpo del evaporador y el alimento que se encuentra en él.
Si la presión de recinto es mayor que la presión de saturación a una temperatura 5ºC
mayor que la del condensador, se abre la válvula de vacío poniendo en contacto la
bomba de vacío con el evaporador y produciéndose la aspiración del vapor, que pasa al
enfriador Peltier que está en condiciones para conseguir su condensación.
Si la presión en el recinto es inferior a la de saturación a la temperatura de condensación
más 5ºC, se comprueba si también es mayor que la de saturación correspondiente a la
temperatura de condensación más 2ºC. Si esto es cierto se cierra la válvula de vacío, en
caso contrario se mantiene la válvula en la posición que estaba.
Al comenzar la operación el enfriador Peltier debe haber conseguido que la masa del
condensador se encuentre a la mínima temperatura que sea capaz de alcanzar, de forma
que almacene la máxima cantidad de frío que le sea posible. Si el alimento a concentrar
se introduce en el evaporador a temperatura ambiente, la temperatura de vaporización se
establecerá de forma automática en función del calor transmitido a través de la camisa
calefactora.
En la gráfica 1 se puede observar como evolucionan las variables controladas durante el
proceso.
45
50
Temp. Calefacción
45
Temp. Producto
Temp. Condensador
40
Presión de recinto
40
35
30
30
25
25
20
Presión (mB)
Temperatura (ºC)
35
20
15
15
10
10
5
5
0
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Tiempo (min)
45
50
55
60
65
70
Gráfica 1.- Evolución de las variables durante el proceso
En esta gráfica se observa que la temperatura del condensador va incrementándose
durante el proceso, ya que su potencia es insuficiente para eliminar todo el calor
aportado por los vapores que le llegan. Este incremento de temperatura produce la
correspondiente elevación de la presión de trabajo del evaporador de forma que en todo
momento pueda producirse la necesaria condensación de los vapores.
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Sin embargo, la temperatura del producto sufre muy poca modificación durante el
proceso. El producto se introdujo en el evaporador a temperatura ambiente. En los
primeros minutos del proceso no se produjo evaporación, ya que se estaba produciendo
el calentamiento del producto hasta la temperatura de equilibrio. A partir de haberse
alcanzado el equilibrio la práctica totalidad del calor aportado por la calefacción se
utilizó en la vaporización, por lo que la temperatura del producto se mantuvo
sensiblemente constante.
En la gráfica 2 puede verse el ritmo al que se produjo la condensación de los vapores
producidos.
200
180
160
Condensado (ml)
140
120
100
80
60
40
20
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Tiempo (min)
45
50
55
60
65
70
Gráfica 2.- Caudal de condensado recogido
En esta gráfica se observa que el caudal de condensado producido es constante, en
cuanto se supera la fase de calentamiento del producto. Es evidente que esto debería
producirse ya que tanto la temperatura del producto como la potencia de la calefacción
se mantienen constantes durante el proceso.
CONCLUSIONES
Se ha conseguido un sistema de control del proceso de evaporación, en un evaporador
por cargas, capaz de ajustar la producción de condensado a la capacidad del
condensador, controlando únicamente la presión del recinto, la temperatura de
condensación y la temperatura del sistema de calefacción. En estas condiciones la
temperatura del producto se mantendrá en todo momento en los niveles adecuados a la
preservación de sus cualidades organolépticas.
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BIBLIOGRAFÍA
Casp, A. y Abril, J. (2003) “Procesos de conservación de alimentos”. Ediciones MundiPrensa. Madrid.
Hermida Bun, J.R. (2000) “Fundamentos de ingeniería de procesos agroalimentarios”.
Ediciones Mundi-Prensa. Madrid.
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