Los intercambiadores de calor añaden dinamismo a las operaciones de procesamiento

Sep 26, 2023

Los tubos corrugados pueden ayudar a prevenir la contaminación de los intercambiadores de calor.(Foto cortesía de: HRS Heat Exchangers)

Los intercambiadores de calor se están convirtiendo en un elemento más poderoso en el impulso de los procesadores de lácteos para mejorar la eficiencia operativa.

Al seleccionar los intercambiadores óptimos para sus líneas de productos y configuraciones tecnológicas específicas, los operadores están en condiciones de aumentar la producción y el ahorro de energía mientras mejoran el saneamiento. Sin embargo, la amplia gama de opciones de equipos con diversos atributos puede dificultar la selección del equipo.

Los procesadores utilizan intercambiadores para transferir calor entre dos o más fluidos durante los procesos de enfriamiento y calentamiento sin mezclar los fluidos, y los dispositivos admiten una amplia gama de funciones lácteas, incluida la pasteurización, esterilización, separación, envasado, formulación y tratamiento térmico y enfriamiento. .

"Dondequiera que sea necesario transferir calor hacia o desde un fluido, probablemente encontrará un intercambiador de calor", dice Kevin Anyanwu, gerente de ejecución de propuestas y pedidos de SPX Flow Inc., un fabricante de intercambiadores de calor con sede en Charlotte, Carolina del Norte.

Los intercambiadores también apoyan la recuperación de calor residual en la que los procesadores recolectan calor que de otro modo se habría disipado en el aire dentro o fuera de una instalación y lo utilizan en otras áreas de la planta que requieren generación de calor, dice Tim Tolley, director de Fond du Lac, con sede en Wisconsin. Excel Ingeniería Inc.

Los procesadores, por ejemplo, pueden utilizar intercambiadores de carcasa y tubos para recuperar calor del vapor de proceso, de los procesos de destilación o de los sistemas de refrigeración y aire acondicionado. Otras fuentes de recuperación de calor incluyen refrigerantes de motores y corrientes de escape de hornos, secadoras y chimeneas de escape, dice Tolley.

Además, los intercambios pueden admitir aplicaciones de limpieza in situ (CIP) que utilizan vapor o agua caliente como medio de calentamiento para eliminar residuos de productos y microorganismos del interior de tanques, tuberías, recipientes y equipos de proceso sin necesidad de desmontaje, afirma.

"El procesamiento térmico va de la mano con el procesamiento de lácteos para el control de calidad y la optimización del producto", señala Tolley.

Las opciones de intercambiadores de calor incluyen intercambiadores de placas que constan de varias capas de placas planas que se apilan para crear una serie de canales por los que fluyen los líquidos; intercambiadores de carcasa y tubos en los que las carcasas contienen un haz de tubos con fluido que corre a través y sobre los tubos para transferir calor entre los líquidos; e intercambiadores de superficie raspada que están diseñados para mantener alta la transferencia de calor y al mismo tiempo mantener la superficie de transferencia de calor constantemente limpia al manipular fluidos de alta viscosidad y sustancias contaminantes.

Al considerar la opción de un sistema de calefacción para su planta, los procesadores de lácteos deben evaluar el impacto de una tecnología en la capacidad de limpieza, la eficiencia térmica, los tiempos de ejecución y la facilidad de mantenimiento, dice Anyanwu.

"Las consecuencias de seleccionar la solución de transferencia de calor incorrecta van desde una disminución de la eficiencia del proceso y una seguridad comprometida hasta el incumplimiento de las normativas", afirma.

También es vital analizar los medios de calentamiento o enfriamiento de un dispositivo, la sensibilidad al calor y las propiedades reológicas antes de comprarlo, dice Tolley. Los tipos de alimentos que se producen (yogur o queso) ayudarán a determinar los modelos óptimos para su uso en las instalaciones lácteas, añade Melissa Fryer, gerente de ventas de campo de Alfa Laval Inc., un proveedor de tecnología con sede en Richmond, Virginia. Ella recomienda que los procesadores comparen los beneficios y desventajas de equipos específicos al tomar decisiones.

Si bien un intercambiador de calor de placas, por ejemplo, proporciona la forma más eficiente de transferencia de calor, el pequeño espacio entre las placas y la presión nominal de las placas limita la cantidad y el tamaño de las partículas del producto y el grado de viscosidad que puede soportar, señala Fryer. Mientras tanto, los intercambiadores de calor de superficie desechados pueden soportar mejor productos con mayor viscosidad y partículas grandes, pero dichos equipos suelen ser más caros, afirma Jeff Wojtkowski, director de desarrollo empresarial de Alfa Laval.

Tales partículas pueden incluir trozos de fruta en el yogur, mientras que el yogur en sí puede tener niveles elevados de viscosidad, dice Jordan Cook, líder de desarrollo comercial de servicios en Central States Industrial (CSI), un distribuidor de intercambiadores con sede en Springfield, Missouri.

"Los procesadores deben considerar primero el producto y luego el equipo al seleccionar los intercambiadores de calor", afirma.

En última instancia, los diseños de los intercambiadores deben admitir lo que los procesadores valoran más, y eso puede variar según las circunstancias, señala Anyanwu.

"Un proyecto puede necesitar una alta recuperación de calor, lo que puede llevar a grandes regeneradores", explica. "Otros pueden requerir un enfoque de temperatura muy baja, lo que puede tener efectos dramáticos en el tamaño del intercambiador".

El dimensionamiento técnico es especialmente importante para el procesamiento de productos complicados, como fluidos, cuya consistencia cambia cuando se someten a tensiones mecánicas. Esto produce fluidos más o menos viscosos, o fluidos, con una alta concentración de sólidos, dice Anyanwu, señalando que tales situaciones pueden requerir un marco de intercambiador que pueda abrirse y cerrarse rápidamente para facilitar la limpieza y el mantenimiento.

Cuando se trata de un diseño eficaz para intercambiadores de calor, los procesadores de lácteos deben compartir los detalles de sus productos alimenticios con los ingenieros de aplicaciones de intercambiadores de calor, afirma Anyanwu de SPX Flow.

Esto incluye caudales de agua caliente; la concentración de glicol necesaria para el enfriamiento; y la caída de presión disponible que puede alterar la eficiencia de otros equipos del sistema, como bombas, homogeneizadores y calderas, afirma. De lo contrario, “es posible que el ingeniero tenga que hacer una suposición para completar el diseño”, señala Anyanwu.

Los caudales de producto y los perfiles de temperatura también dictarán el tipo de tecnologías óptimas para cada planta de procesamiento, dice Adam Koss, ingeniero mecánico de Koss Industrial Inc., un fabricante de equipos con sede en Green Bay, Wisconsin. "Una vez que se sabe esto, los proveedores pueden seleccionar el intercambiador de calor ideal para la situación y luego se puede elegir el siguiente elemento clave del sistema, que es la bomba para mover el producto de forma segura a través del intercambiador de calor seleccionado", explica.

Además, reducir la contaminación en la superficie del intercambiador hace que sea mucho más fácil para el intercambiador mantener la viscosidad de un producto, relata Matt Hale, director de ventas y marketing internacional de HRS Heat Exchangers, con sede en Marietta, Georgia.

“Un intercambiador de calor bien diseñado, como los que utilizan diseños de tubos corrugados, será más resistente a la contaminación y, por lo tanto, funcionará de manera más eficiente durante más tiempo sin necesidad de limpieza u otras intervenciones”, afirma. Es importante evitar la contaminación que puede ocurrir cuando los fluidos se degradan cerca de la pared del tubo y capas de sólidos se depositan o se adhieren a la pared, o cuando los componentes del fluido cambian a un estado sólido y se depositan en la superficie del intercambiador de calor, agrega Hale.

"La clave para los productores es proporcionar tanta información como sea posible, no sólo sobre los fluidos del producto y servicio, sino también sobre los regímenes de temperatura, el rendimiento requerido y las tasas de producción para que se pueda diseñar la solución de intercambiador de calor correcta", dice Hale. “Las dos consideraciones más importantes son el producto y lo que se intenta hacer con él. Pasteurizar leche líquida, por ejemplo, es un proceso mucho más sencillo que enfriar cuajada o yogur, donde mantener la calidad e integridad del producto es esencial”.

Debido a que la mayoría de los intercambiadores de calor son parte de un sistema de procesamiento más grande, también es necesario incorporar tecnologías con dimensiones y peso compatibles, afirma Anyanwu.

"Si un intercambiador no tiene el tamaño adecuado, los productos sensibles al calor podrían quemarse o cristalizarse", añade Sue Rhyner, ingeniera de ventas de Enerquip Thermal Solutions, un proveedor de intercambiadores de calor con sede en Medford, Wisconsin.

Sin embargo, tomar decisiones de compra sin poseer el conocimiento necesario sobre el equipo sigue siendo un error clave del procesador al incorporar tecnologías, dice Cook de CSI. Recomienda que los operadores comprendan las opciones tecnológicas disponibles y cómo cada intercambiador se relaciona con sus productos.

"No contar con buenos datos de un propietario sobre las propiedades de sus productos requiere una cantidad significativa de esfuerzos de ingeniería por parte de los fabricantes de intercambiadores de calor para determinar si su línea de productos cumple con los requisitos", señala Tolley de Excel Engineering.

Si bien las comparaciones de costos son un elemento esencial en las decisiones de compra, analizar los precios puede ser complicado ya que los sistemas con una inversión inicial más baja no serán necesariamente la solución más económica a largo plazo, dice Cook.

"Con bastante frecuencia encontramos que cuando el costo inicial es el factor de compra número uno para un proceso, inevitablemente hay costos en el futuro que pueden resultar en un mayor costo total de propiedad", afirma. Las elevadas tarifas de mantenimiento, las dificultades para obtener piezas de repuesto y el soporte inadecuado del dispositivo por parte del proveedor, por ejemplo, pueden contribuir a mayores gastos generales, añade Cook.

"Asegúrese de tratar con un proveedor que tenga una visión completa de lo que hay disponible y de lo que mejor se adapta a sus necesidades específicas", señala Cook. "Si cree que no está obteniendo una buena respuesta a sus preguntas sobre equipos, siga buscando".

También es prudente que los procesadores se mantengan al tanto de los diseños de equipos más nuevos para que puedan incorporar las soluciones más efectivas. Las tecnologías contemporáneas, por ejemplo, están permitiendo una mayor eficiencia térmica, "que es la función principal del dispositivo", afirma Anyanwu. Las actualizaciones de equipos también están permitiendo más ciclos de producción entre ciclos de limpieza, afirma.

"Los productores de lácteos exigen intercambiadores de calor que puedan funcionar de manera más limpia durante períodos más prolongados y que se puedan limpiar fácilmente", señala Anyanwu. “Esto influye en la sostenibilidad de la operación, ya que el ciclo de limpieza a menudo emplea productos químicos que pueden ser costosos y difíciles de eliminar o reciclar. Con el creciente enfoque global en los costos de energía y la sostenibilidad, maximizar la eficiencia de la transferencia de calor es más importante que nunca”.

Mientras tanto, los intercambiadores de calor de placas de próxima generación ofrecen placas con espacios más anchos para aumentar el espacio entre las placas y reducir la amenaza de que los sólidos se queden atrapados en la unidad cuando los fluidos de un producto contienen fibras o partículas gruesas, dice Koss. Sin embargo, Hall señala que cada vez más procesadores están pasando de simples intercambiadores de placas a diseños de carcasa y tubos debido a costos de mantenimiento, ciclos de vida operativos y resistencia a la contaminación más favorables.

Anyanwu concluye que se está produciendo una “evolución” en las tecnologías de transferencia de calor, incluida la tecnología de inyección de vapor que puede generar cambios rápidos de temperatura sin perder el sabor del producto.

Richard Mitchell, editor colaborador