control de cambiadores de calor con aplicacion en la industria

Sección Española
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CONTROL DE CAMBIADORES DE CALOR CON
APLICACION EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA
Lorenzo Echevarría(ES)
APV Ibérica
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RESUMEN
La aplicación de cambiadores de calor, en adelante HE (del inglés ‘Heat Exchanger’), en la
industria alimentaria es tan extensa y variada como los tipos de industria de este sector y los
diferentes procesos que en éstas se llevan a cabo. El proceso térmico es básico en este ramo
desde su mas remotos orígenes, tanto que, como veremos más adelante, tal y como se concibe
hoy la industria alimentaria, la mayoría de los procesos que esta conlleva no serían posibles
sin estos equipos.
Existen diferentes tecnologías y por ende distintos tipos de control pero, como podremos
comprobar, todos ellos destinados a garantizar las condiciones sanitarias del producto, tanto
en el almacenamiento como durante el proceso y finalmente en el envasado para la posterior
distribución.
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1. INTRODUCCION
El proceso térmico por excelencia es el de pasterización, presente, por razones de sanidad y
seguridad, en prácticamente todas la empresas del sector: desde la industria láctea hasta la
cervecera, desde las industrias vinícolas y alcoholeras hasta las de bebidas refrescantes. Los
distintos productos y sus diferentes características físicas requieren a su vez construcciones
alternativas.
Tanto en la pasterización como en la mayoría de los procesos térmicos de aplicación en
alimentaria, las variables fundamentales son temperatura y tiempo.
Veremos como en la industrialización de estos procesos, existe un conflicto entre la garantía
sanitaria del producto y el mantenimiento de las propiedades tradicionales que definían el
mismo. Un buen diseño del equipo y control preciso del mismo nos llevarán a un buen
compromiso entre ambos requisitos fundamentales para la definición de calidad del producto.
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La evolución de las tecnologías, desde la aparición de los sensores en línea hasta la irrupción
de las tecnologías de la información en el mundo industrial, han tenido su reflejo en este
campo y nos han llevado desde el control automático de la regulación del proceso hasta la
automatización de la planificación de producción y la integración en los sistemas de gestión
de negocio.
Por último, veremos como la creciente preocupación de las autoridades por el control de los
productos alimenticios a lo largo de toda la cadena productiva y de distribución “Desde la
granja a la mesa”, tiene su influencia en la automatización de estos procesos a través de la
legislación.
2. LAS DIFERENTES INDUSTRIAS Y
LAS DIFERENTES APLICACIONES
Son innumerables los procesos de transformación de los alimentos en los que aparecen
cambiadores de calor, nos fijaremos aquí en diferentes procesos relativos a su vez a diferentes
productos y sus correspondientes industrias.
2.1.- Enfriamiento en la fermentación del mosto para la producción de vino.
Definición. La fermentación es el proceso biológico de conversión del mosto en vino
mediante la transformación de los azucares contenidos en el mosto, y por medio de la
levadura del propio fruto, en alcohol y anhídrido carbónico. Este proceso es exotérmico y en
él se liberan del orden de 24Kcal/l. Mientras parte de este calor se disipa en el ambiente el
resto eleva la temperatura del mosto la cual no debe sobrepasar un valor determinado y
variable en función del tipo de vino a producir:
o 32-33º C en la vinificación del tinto.
o 12-18º C si se trata de blancos.
Objetivo. Hay que mantener la temperatura de estos mostos dentro de los limites establecidos
para evitar, por ejemplo:
o Perdidas de alcohol por evaporación, con la consecuente perdida de grado alcohólico
del vino.
o Inactivación de las levaduras que producen la fermentación.
La aplicación. Aunque existen diferentes métodos para la refrigeración de los tanques de
fermentación como camisas de refrigeración o incluso convección natural y radiación, el mas
eficiente, sobre todo para grandes volúmenes, es el enfriamiento trasegando producto a través
de cambiadores de placas con circulación a contracorriente de fluido refrigerante.
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Como se puede apreciar en la figura anterior, la aplicación es bien sencilla y el modelo de
regulación corresponde al de control sin cambio de fase con actuación sobre el caudal del
fluido refrigerante (tipo A). Las principales ventajas de este método y para esta aplicación
son:
o El enfriamiento se consigue rápidamente, se puede llegar a bajar de 32 a 24 º C un
volumen aproximado de 250.000 l en una hora.
o Bajas perdidas de carga, lo cual se traduce en un reducido gasto de bombeo.
El equipamiento y el control son básicos, por un lado los instrumentos de campo trabajan en
unos rangos de temperatura y presión ambientales y, por otro la velocidad de respuesta del
sistema no es critica.
2.2.- Leche esterilizada .
Definición. La popularmente conocida UHT es la leche natural tratada mediante un proceso
de calentamiento a alta temperatura (Ultra High Temperature) 135-150 º C durante un
intervalo de tiempo de unos 2 a 8 segundos. Es por esto último que a veces encontramos
también las siglas ST (Short Time).
Objetivo. Mediante este tratamiento se garantiza la destrucción total de los microorganismos
y la inactivación de sus formas de resistencia o esporas, obteniéndose un producto de
propiedades similares al natural y que no necesita refrigeración para su conservación.
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La aplicación. Podemos establecer una división, según la tecnología empleada, en sistema
directo y sistema indirecto. Ambos se representan y definen brevemente a continuación.
Sistema directo en cual se precalienta la leche en un aparato de placas (1) para luego,
mediante inyección directa de vapor (2), elevar la temperatura hasta la de esterilización 135150 º C de forma instantánea. Esta método, también conocido como Infusión, se representa
esquemáticamente en la figura anterior.
Sistema indirecto en el que de forma análoga al anterior la leche es precalentada (1) para
luego ser esterilizada, y aquí radican las principales diferencias, de nuevo en un aparato a
placas (3) por medio de agua sobrecalentada, manteniéndose a unos 138º C durante unos 4
segundos en el tubo de mantenimiento (4).
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En la siguiente figura se pueden apreciar la diferente curva térmica asociada a cada uno de
estos procesos.
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Una de las grandes diferencias es que en el primero o indirecto el intercambio se realiza a
través de una superficie de placas, tubos, mixta, etc. mientras que en el directo, el fluido
calefactor entra en contacto el producto lo cual deriva directamente en necesidad de vapor
culinario. Además, la recuperación térmica en el indirecto es mucho mayor.
Las exigencias en cuanto al sistema de regulación en cualquiera de las dos soluciones son
mucho mayores que en el caso anterior. La precisión de lo instrumentación de campo es
critica pues una pequeña desviación en la temperatura o en el tiempo de mantenimiento hacen
que no se cumpla el objetivo teniendo, en caso de ser viable, que repetirse el proceso. Otro
factor a tener en cuenta es la fuerte incidencia que una parada no planificada puede tener en el
rendimiento de estos equipos: la puesta en régimen de la planta puede requerir de varias horas
cuando el tiempo máximo de funcionamiento continuo no alcanza a veces las 24 horas.
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2.3.- Pasterización.
Definición. Como se ha dicho anterniormente, este es el proceso térmico por excelencia en la
industria alimentaria. Una de las diferencias fundamentales con los anteriores de
esterilización es que la temperatura a la que es sometido el producto, alrededor de 74º C, es
mucho más baja, consecuentemente las características nutritivas, el color y el sabor natural
del producto se alteran en menor grado. Por el contrario, el tiempo de ratamiento es
ligeramente superior a cualquiera de los anteriores y aunque depende del producto esta en un
rango que va de los 15 a los 30 segundos.
Objetivo. Se pretende mediante la pasterización la destrucción de microorganismos patógenos
con el fin, común a todos estos procesos, de evitar la transmisión de enfermedades y en
definitiva de aumentar las garantías sanitarias del producto.
La aplicación. Existen dos métodos para la realización de este proceso: uno de ellos se aplica
mediante túneles y después de envasado el producto, por lo que no nos detendremos más en
él, y otro que se realiza mediante cambiadores, de placas o tubos en función del producto a
tratar y sus características de viscosidad y partículas en suspensión.
La imagen corresponde a un sistema SCADA para la visualización y mando de un
pasterizador de cerveza y el modelo de regulación, en este caso, responde a un control sin
cambios de fase con actuación sobre caudal del producto o fluido principal.
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3.MODELOS DE REGULACIÓN EN CAMBIADORES
La principal característica de los sistemas de regulación de temperatura en general es la
respuesta lenta y, a veces, la dificultad para estabilizar el sistema. En los cambiadores de
calor, el control de temperatura se regula de forma indirecta: controlando el caudal de los
fluidos, principal o calefactor, controlamos el calor que se aporta al sistema. Esto nos permite
hacer una división de los sistemas de regulación según se actúe sobre el caudal del fluido
calefactor o sobre el de fluido principal o producto. Cabe hacer otra división dependiendo del
modo de actuación sobre el caudal y si se genera by-pass o no. A continuación se ilustran los
cuatro diferentes modos que de estas ‘divisiones’ se derivan.
Modelos de regulación
sobre caudal de fluido
principal y sobre caudal
de fluido calefactor.
Modelos de regulación
sobre by-pass de fluido
principal y sobre by-pass
de fluido calefactor.
Los dos primeros suelen ser mas fáciles de implementar y por tanto mas ventajosos
económicamente y dentro de ellos el que actúa sobre el fluido principal tiene el inconveniente
de perturbar el flujo de producto. Esto produce irregularidades que dependiendo del proceso
global o del mismo producto pueden ser inaceptables. A esto hay que la lentitud en la
respuesta de ambos modelos.
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De los que actúan sobre by-pass, el que lo hace sobre el de fluido calefactor es tan lento como
los anteriores y no introduce ninguna ventaja adicional. El último tiene una respuesta más
rápida pero hay que tener cuidado con la perdida de carga en el cambiador, pues si es esta es
baja el caudal de by-pass puede ser insuficiente. Par este caso existen las siguientes
alternativas que permiten un control mas preciso:
Modelos de regulación
sobre by-pass de fluido
principal con válvula 3
vías (Iqda.) y con dos
4. ASPECTOS DE MEJORA
La automatización en el control de procesos tiene como último objetivo la mejora de la
producción en todos los aspectos, de ellos podemos destacar
o Rendimiento. Es fácil imaginar como un control más preciso sobre el punto de
consigna, no permite movernos dentro de los márgenes de calidad de nuestro producto
hacia el limite que mas nos interese.
o Eficiencia energética. La estabilidad y consecuente continuidad de los procesos
regulados automáticamente es otro aspecto de mejora continua con reflejo directo en
el ahorro de energía. Por ejemplo, la observación de la evolución de variables del
proceso a través de sensores en línea: la caída del rendimiento térmico del cambiador
nos indica que se está alcanzando el límite de funcionamiento en continuo por
ensuciamiento del equipo.
o Calidad del producto y seguridad. Estos son los de mas reciente aparición y están
vinculados a métodos como el de Control Estadístico de los Procesos (CEP) o él
Análisis de Riesgos y Control de Puntos Criticos (ARCPC o HACCP). Los avances
tecnológicos durante las dos últimas décadas han hecho posible el almacenamiento
masivo de datos de producción a nivel de planta y en tiempo real. Esta información
nos permite realizar una análisis mas dinámico de los sistemas, minimizando los
riesgos en la toma de decisiones y facilitando la predicción de eventos no deseados.
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5. AGRADECIMIENTOS
El autor de este articulo agradece su inestimable colaboración a Gema Jiménez y Pablo
Valentín, compañeros y amigos en APV Ibérica.
6. REFERENCIAS
[1].
Fondo documental APV “HE knowledge”.
[2].
Madrid Vicente A., Madrid Cenzano A. Madrid (2001). “Nuevo Manual de Industrias
Alimentarias”, AMV Ediciones, ISBN 84-89922-56-X
[3].
McFarlane I., U.K. (1995). “Automatic Control of Food Manufacturing Processes”,
Chapman and Hall, ISBN 0 7514 0207 9
[4].
Briz Julian, Madrid (2003). “Internet, Trazabilidad y Seguridad Alimentaria”,
Ediciones Mundi Prensa, ISBN 84-8476-140-1
[5].
Burguillos V., Madrid (2003). “Control de Temperatura en Cambiadores de Calor”,
publicado en la revista Ingeniería Química, ISSN
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