Análisis del uso de intercambiadores de calor en la industria alimentaria

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Máster Máster Universitario en Ingeniería Industrial Análisis del uso de intercambiadores de calor en la industria alimentaria Autor: Alejandro Gómez Soriano Tutor: Rocío González Falcón Dpto. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 iii Trabajo Fin de Máster Máster Universitario en Ingeniería Industrial Análisis del uso de intercambiadores de calor en la industria alimentaria Autor: Alejandro Gómez Soriano Tutor: Rocío González Falcón Dpto. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 v Trabajo Fin de Máster: Análisis del uso de intercambiadores de calor en la industria alimentaria Autor: Alejandro Gómez Soriano Tutor: Rocío González Falcón El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2023 El Secretario del Tribunal vii A la memoria de mi padre, sin el que nada de esto hubiera sido posible ix Agradecimientos En primer lugar, agradecer a mi familia, por apoyarme siempre, por soportar y aguantar mi exigente forma de ser durante estos años de sacrificio. Sin ustedes nada de esto habría sido posible, os estaré siempre agradecido. Agradecer por otro lado a mis compañeros, por amenizar un poco esta etapa, por vuestra confianza y apoyo. Por último, agradecer a la profesora Rocío González Falcón, por aceptar trabajar conmigo, por su paciencia y por dedicarme su valioso tiempo. Para mí ha sido un honor, un orgullo y un placer trabajar con usted. Alejandro Gómez Soriano Sevilla, 2023 6.3. Intercambiadores de calor de carcasa y tubos después de ensuciamiento 6.4. Intercambiadores de calor de doble tubo después de ensuciamiento 6.5. Intercambiadores de calor de placas después de ensuciamiento 6.6. Análisis de resultados Referencias xvii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 4-1.- Propiedades térmicas de varios jugos. Tabla 4-2.- Propiedades térmicas de varios productos. Tabla 4-3.- Propiedades térmicas de algunos constituyentes. Tabla 4-4.- Propiedades de la leche, el jugo de naranja y el agua. Tabla 4-5.- Evolución de las conductividades térmicas de la leche y el agua con la temperatura. Tabla 4-6.- Evolución de las viscosidades de la leche y el agua con la temperatura. Tabla 5-1.- Expresiones de E y NTU para intercambiadores de calor de carcasa y tubos. Tabla 5-2.- Relación entre E y NTU para intercambiadores de calor de carcasa y tubos. Tabla 5-3.- Expresiones de E y NTU para intercambiadores de calor de doble tubo. Tabla 5-4.- Relación entre E y NTU para intercambiadores de calor de doble tubo. Tabla 5-5.- Relación entre E y NTU para intercambiadores de calor de placas. Tabla 5-6.- Resultados para el caso de esterilización antes de ensuciamiento. Tabla 5-7.- Resultados para el caso de pasteurización LTLT antes de ensuciamiento. Tabla 5-8.- Resultados para el caso de pasteurización HTST antes de ensuciamiento. Tabla 6-1.- Resultados para el caso de carcasa y tubos en esterilización después de ensuciamiento. Tabla 6-2.- Resultados para el caso de doble tubo en esterilización después de ensuciamiento. Tabla 6-3.- Resultados para el caso de placas en esterilización después de ensuciamiento. Tabla 6-4.- Resultados para el caso de carcasa y tubos en pasteurización LTLT después de ensuciamiento. Tabla 6-5.- Resultados para el caso de doble tubo en pasteurización LTLT después de ensuciamiento. Tabla 6-6.- Resultados para el caso de placas en pasteurización LTLT después de ensuciamiento. Tabla 6-7.- Resultados para el caso de carcasa y tubos en pasteurización HTST después de ensuciamiento. Tabla 6-8.- Resultados para el caso de doble tubo en pasteurización HTST después de ensuciamiento. Tabla 6-9.- Resultados para el caso de placas en pasteurización HTST después de ensuciamiento. xix ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1-1.- Intercambiador de calor de tubos. Figura 1-2.- Intercambiador de calor de placas. Figura 2-1.- Leche condensada de supermercado. Figura 2-2.- Leche pasteurizada envasada. Figura 2-3.- Leche esterilizada de supermercado. Figura 2-4.- Leche congelada en tacos. Figura 3-1.- Diferentes fases de los procesos de Pasteurización y Esterilización. Figura 3-2.- Componentes del intercambiador de calor de carcasa y tubos. Figura 3-3.- Exterior de un intercambiador de calor de carcasa y tubos. Figura 3-4.- Componentes del intercambiador de calor de doble tubo. Figura 3-5.- Circulación de fluidos por un intercambiador de calor de doble tubo. Figura 3-6.- Exterior de intercambiadores de calor de doble tubo. Figura 3-7.- Circulación de fluidos por un intercambiador de calor de placas. Figura 3-8.- Tamaño real de las placas de un intercambiador de calor. Figura 6-1.- Ensuciamiento extremo en intercambiadores de calor. Figura 6-2.- Control de espesores con medidor ultrasónico DM2. xxi Notación NTU$ ºC 𝜖 𝐿 µ m 𝐶! 𝜋 𝑈 ℎ" ℎ# 𝐹$" 𝐹$# 𝐴" 𝐴# k Q 𝑄%&' Pr Re Nu Número de unidades de transferencia Grados centrígrados Efectividad Longitud de los tubos Viscosidad del fluido Caudal del fluido Capacidad térmica del fluido Número pi Coeficiente de transferencia de calor Coeficiente de película exterior Coeficiente de película interior Factor de ensuciamiento exterior Factor de ensuciamiento interior Área de transferencia exterior a los tubos Área de transferencia interior a los tubos Conductividad térmica de los tubos del intercambiador Calor realmente transferido Calor máximo transferible Número de Prandtl Número de Reynolds Número de Nusselt xxiii 1 IMPORTANCIA Y USO DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA Es frecuente en la industria alimentaria el uso de máquinas que permitan procesar y tratar productos alimenticios para una determinada finalidad. De entre esos equipos, este proyecto se va a centrar en el uso de los intercambiadores de calor; máquinas que se encargan de transferir energía entre dos fluidos, los cuales pueden estar o no en contacto. La importancia de estas máquinas en la industria alimentaria se debe a la variedad de operaciones y utilidades proporcionadas a los profesionales dedicados al sector de los alimentos. Dependiendo de la etapa en la que se encuentren los alimentos tratados por estos intercambiadores, se pueden encontrar diversas operaciones facilitadas por los mismos, como la purificación, conservación, calidad de los productos, inocuidad… Además, en estos intercambiadores de calor se puede trabajar tanto con temperaturas altas como bajas. Entre estas temperaturas existe cierta transferencia en cuanto al impacto que estos equipos pueden producir en la industria alimentaria. Como se ha mencionado anteriormente, los fluidos que circulan por el interior de los intercambiadores de calor pueden estar o no en contacto. En el caso en el que exista contacto entre fluidos, este puede ser directo o indirecto. En los intercambiadores de calor de contacto directo, la mezcla física de ambos fluidos da lugar a la transferencia de calor. Al no existir barreras entre estos fluidos se puede dar la contaminación entre los mismos, lo cual es preferible evitar en la mayoría de las situaciones. En los intercambiadores de calor de contacto indirecto, los fluidos, gracias a espacios o superficies sólidas, no entran en contacto, sino que circulan por espacios diferentes. Por lo tanto, el calor en este tipo de intercambiadores se da por convección y conducción. Dependiendo de la circulación de uno de los fluidos respecto al otro, se da la situación de a contracorriente (diferente sentido entre fluidos), equicorriente (mismo sentido entre fluido) o cruzado (direcciones perpendiculares a equicorriente o contracorriente). Los intercambiadores de calor de contacto indirecto se pueden clasificar además en: • Intercambiadores de calor de superficie: Son los intercambiadores más comunes y dependen de la superficie del sólido que evita el contacto entre los dos fluidos que circulan por el intercambiador. Dependiendo de esta superficie, se puede hacer la siguiente distinción: - Intercambiadores de tubos. Uno de los fluidos circula por el interior de un tubo, por lo que la superficie separadora es la pared de este. El otro fluido circula por el exterior de dicho tubo. Se puede dar la situación en la que ambos fluidos circulan en la misma dirección (flujos paralelos) o en dirección perpendicular (flujos cruzados). Procesos llevados a cabo en la Industria Alimentaria 8 8 Particularizando en la industria láctea, los congeladores se utilizan en algunos casos para mantener y almacenar la leche de cara a un uso posterior: Figura 2-4.- Leche congelada en tacos. Este proyecto se va a centrar en los procesos de esterilización y pasteurización, para cada uno de los cuales se llevarán a cabo ciertos cálculos variando los parámetros del problema a estudiar. El punto 3 se centrará en detallar y diferenciar estos procesos, además de cada tipología de intercambiador de calor a utilizar en el proyecto para estos procesos. También se hablará del rango de temperatura a los que se van a someter los productos. Estudio de los procesos de Pasteurización y Esterilización 10 3 ESTUDIO DE LOS PROCESOS DE PASTEURIZACIÓN Y ESTERILIZACIÓN Este punto se centra en las diferencias entre los procesos de Pasteurización y Esterilización y en las condiciones que se van a dar para el estudio de los intercambiadores de calor en dichos procesos. 3.1. Diferencias entre procesos y rango de temperaturas Como ya se ha comentado anteriormente, tanto la esterilización como la pasteurización son procesos de conservación de alimentos por calor. La finalidad de estos procesos es la de destruir patógenos y enzimas. Básicamente la diferencia entre ambos procesos es la temperatura de calentamiento y el tiempo. En la Pasteurización se calienta el alimento a unos 60-100 ºC durante unos 15 o 20 segundos en los procesos HTST o durante unos 30 minutos en los procesos LTLT y se enfría rápidamente a 4ºC. Este método es utilizado sobre todo en productos como los zumos aromatizados, la leche y sus derivados y las cervezas. Hay que destacar que estos alimentos se conservan solo unos días, ya que aunque se destruyen los microorganismos patógenos, las alteraciones químicas siguen produciéndose. El proceso de Esterilización, en cambio, se utiliza para alimentos más diversos. Además de los productos mencionados anteriormente, se aplica a carnes, pescados, verduras, etc. En este proceso se aplican temperaturas superiores a los 100ºC durante pocos segundos, para después disminuir. En el caso de la Esterilización, el valor nutricional del producto final es menor, ya que además de eliminar los microorganismos patógenos se terminan destruyendo otras propiedades del alimento como las proteínas, vitaminas y aromas. Haciendo referencia a las diferencias entre los procesos de esterilización y pasteurización, se van a mencionar las diferentes características que hay entre la leche pasteurizada y esterilizada: - La leche esterilizada UHT puede conservarse a temperatura ambiente hasta el momento de abrir el envase mientras que la leche pasteurizada debe conservarse en frío en todo momento. - La leche esterilizada UHT se puede conservar durante meses mientras que la pasteurizada tiene una fecha de caducidad de unos 4 días desde su envasado. - La leche pasteurizada tiene características físicas (aspecto, sabor, olor…) más parecidas a la de la leche cruda que la leche esterilizada. - La leche esterilizada UHT, al haber estado sometida a una temperatura más elevada sufre más transformaciones físicas (diferente color, olor, sabor…). Como bien se ha comentado, tanto para el proceso de esterilización como para el de pasteurización, se van a llevar a cabo diferentes casos en el cálculo de intercambiadores de calor, variando para cada uno 11 11 de ellos algunos parámetros como la temperatura, la cual se detalla a continuación: • Los procesos de esterilización se suelen llevar a cabo dentro del rango de temperatura 100ºC130ºC. • Para el caso de la pasteurización es necesario distinguir entre dos métodos: - LTLT (Low temperature, long time): método en el que se impone una temperatura de entorno a 60ºC durante unos 30 minutos. Cabe destacar en este método el procesamiento de volúmenes pequeños y la baja eficiciencia energética debido a que no tienen regeneración térmica. - HTST (High temperature, short time): método en el que se impone una temperatura de entorno a 100ºC durante pocos segundos. Cabe destacar en este método el manejo de altos volúmenes de líquido, la alta eficiencia energética (regeneración, se transfiere calor al fluido que entra), y lo costoso que es en comparación con el método LTLT. A continuación, se muestra una representación de las diferentes fases por las que pasa tanto el proceso de Pasteurización como de Esterilización: Figura 3-1.- Diferentes fases de los procesos de Pasteurización y Esterilización. En los puntos posteriores se van a describir los diferentes tipos de intercambiadores de calor que se van a utilizar para el estudio de los procesos de esterilización y pasterurización: 3.2. Intercambiadores de calor de carcasa y tubos Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos son los más comunes en la industria y están formados por una carcasa cilíndrica dentro de la cual se encuentran unos tubos también cilíndricos con ejes paralelos al de la misma carcasa. Por cada cámara circula un fluido, de tal manera que cuando se da cierta diferencia de temperaturas entre ambos, se produce un intercambio de calor sin que los fluidos se mezclen. Mientras que uno de los fluidos circula por el interior de los tubos el otro lo hace por el exterior de estos y por el interior de la carcasa. Estos intercambiadores de calor pueden conectarse tanto en paralelo como en serie con otros con la intención de aumentar el área de transferencia. Los fluidos pueden circular a contracorriente o equicorriente entre ellos. Se puede apreciar en la imagen posterior como dentro de la carcasa existen unos baffles, los cuales orientan la dirección del fluido forzando a que esta sea perpendicular a los tubos. El número de baffles y la distribución de estos dependerá de la finalidad para la que fue diseñado el intercambiador de calor Estudio de los procesos de Pasteurización y Esterilización 12 al que pertenecen. Dependiendo también de la finalidad del intercambiador de calor, el paso del fluido por los tubos se realizará una solo vez o varias. Se muestra a continuación una imagen en la que se puede identificar cada uno de los componentes de un intercambiador de calor de carcasa y tubos ordinario: Figura 3-2.- Componentes del intercambiador de calor de carcasa y tubos. Se muestra también, a continuación, una imágen de un intercambiador de calor de carcasa y tubos real visto desde fuera: Figura 3-3.- Exterior de un intercambiador de calor de carcasa y tubos. Cabe destacar que la expresión del área de transferencia para los intercambiadores de calor de carcasa y tubos es la siguiente: 𝐴 = 𝜋 ∗𝐷 ∗𝐿 ∗𝑁(∗𝑁!')&*)&$& 13 13 Donde: - D es el diámetro de los tubos del intercambiador. - 𝐿 es la longitud de los tubos del intercambiador. - 𝑁( es el número de tubos que conforman el intercambiador. - 𝑁!')&*)&$& es el número de pasos por carcasa que dan los tubos del intercambiador. 3.3. Intercambiadores de calor de doble tubo Los intercambiadores de calor de doble tubo están formados por dos tubos concéntricos. Por el tubo interior circula un fluido, mientras que por el otro, en el espacio entre ambos tubos, circula el otro fluido. Al igual que ocurre en los intercambiadores de calor de carcasa y tubo, ambos fluidos no entran en contacto de tal manera que cuando se da cierta diferencia de temperaturas entre ambos, se produce un intercambio de calor sin que los fluidos se mezclen. Además, en los intercambiadores de calor de doble tubo se puede dar un flujo de contracorriente puro, por lo que se puede incluso conseguir que el fluido frío alcance una temperatura de salida superior a la temperatura de salida del fluido caliente. A continuación, se muestra una imagen en la que se aprecian los componentes de este tipo de intercambiador: Figura 3-4.- Componentes del intercambiador de calor de doble tubo. Como también ocurre con los intercambiadores de calor de carcasa y tubo, pueden conectarse tanto en paralelo como en serie con otros intercambiadores con la intención de aumentar el área de transferencia, que en el caso de los intercambiadores de calor de doble tubo es el área del tubo interno. El área del tubo externo sirve como envolvente. Las características físicas de este tipo de intercambiador permiten que los fluidos circulen sin restricciones, sin aparación de atascos, lo que lo convierte en un intercambiador ideal para tratar fluidos viscosos e incluso fluidos con partículas sólidas. Al igual que en el resto de intercambiadores, los fluidos pueden circular a contracorriente o equicorriente. A continuación, se muestra una esquematización de esto: Estudio de los procesos de Pasteurización y Esterilización 14 Figura 3-5.- Circulación de fluidos por un intercambiador de calor de doble tubo. Se muestra también, a continuación, dos imágenes de intercambiadores reales de doble tubo visto desde fuera: Figura 3-6.- Exterior de intercambiadores de calor de doble tubo. Cabe destacar que la expresión del área de transferencia para los intercambiadores de calor de doble tubo es la siguiente: 𝐴 = 𝜋 ∗𝐷 ∗𝐿 15 15 Donde: - D es el diámetro de los tubos del intercambiador. - 𝐿 es la longitud de los tubos del intercambiador. 3.4. Intercambiadores de calor de placas Los intercambiadores de calor de placas son otro tipo de intercambiador de calor, pero en este caso, no existen tubos cilíndircos por el que circulan fluídos, sino que estos circulan entre placas metálicas dispuestas en paralelo. Estas placas conductoras de calor se encuentran atornilladas o soldadas entre sí y empaquetadas dentro de un bastidor. La transferencia de calor que se produce entre ellas, depende en gran medida, de la dirección del flujo (contracorriente, cocorriente o flujo cruzado), produciéndose a contracorriente la transferencia más alta. Al contrario que para los intercambiadores de calor de doble tubo, los intercambiadores de placas son ideales para tratar fluidos sin partículas y con viscosidad baja. La cantidad total de fluido a tratar se divide en partes iguales en función de la cantidad de placas existentes en el intercambiador, por lo que cada dos placas se crea un canal por el que circula una porción de líquido. A diferencia de los intercambiadores de calor de carcasa y tubo, los intercambiadores de placas necesitan de muy poco espacio para su montaje, además de que son fácilmente desmontables a la hora de limpiarlos ante incrustaciones, corrosiones, etc. Por lo tanto, el fácil mantenimiento, la alta transferencia térmica, el bajo costo y la flexibilidad de los intercambiadores de calor de placas los convierte en el intercambiador más eficiente. A continuación, se muestra una esquematización del funcionamiento de este tipo de intercambiadores de calor: Figura 3-7.- Circulación de fluidos por un intercambiador de calor de placas. Estudio de los procesos de Pasteurización y Esterilización 16 Se muestra también, a continuación, una imagen en la que se puede apreciar el tamaño que puede llegar a alcanzar las placas de estos intercambiadores en comparación con la dimensión humana: Figura 3-8.- Tamaño real de las placas de un intercambiador de calor. Cabe destacar que la expresión del área de transferencia para los intercambiadores de placas es la siguiente: 𝐴 =$𝐴!+&)& ∗𝑁! Donde: - 𝐴! es el área de cada una de las placas que conforman el intercambiador. Estas placas suelen ser rectangulares, por lo que el área de las placas quedaría de la siguiente manera: 𝐴!= 𝐿,∗$𝐿Siendo 𝐿, y 𝐿las dimensiones de los lados que marcan la anchura y altura de las placas respectivamente. - 𝑁! es el número de placas que conforman el intercambiador. 17 17 64 65 5 CÁLCULO Y DISEÑO DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR A TRAVÉS DEL MÉTODO E-NTU Existen dos métodos a la hora de proceder a calcular y diseñar intercambiadores de calor: • F-DTLM: método utilizado en el problema directo, cuando el objetivo es el cálculo del área de transferencia del intercambiador de calor (problema de diseño). Datos: M, m, T1, T2, t1, t2, Q, tipo de fluidos. Incógnitas: Tipo de intercambiador, A. • E-NTU: método utilizado en el problema inverso, cuando el objetivo es el cálculo de las temperaturas de salida de los fluidos que circulan por el intercambiador de calor (problema de funcionamiento). Datos: Tipo de intercambiador, A, M, m, T1, t1. Incógnitas: Q, T2, t2. En este proyecto se va a utilizar el método E-NTU, debido a que la finalidad del mismo es la de sacar conclusiones acerca de las variaciones de temperaturas que se dan en los intercambiadores de la industria alimentaria al modificar ciertos parámetros, como las características de los fluidos a estudiar o las características relacionadas con las dimensiones de los intercambiadores. Antes de proceder a la aplicación del método, se muestran las siguientes definiciones: Capacidad calorífica: 𝑪 = 𝒎∗𝑪𝒑 (W/K) Donde: - m es el caudal del fluido a estudiar. - 𝐶! es la capacidad térmica del fluido a estudiar. 66 Relación de capacidades: 𝑹 = 𝑪𝒎𝒊𝒏 𝑪𝒎𝒂𝒙 Donde: - 𝐶%#7 =𝑚𝑖𝑛(𝐶),𝐶8) - 𝐶%&' =𝑚𝑎𝑥(𝐶),𝐶8) - 𝐶%#7 es la cantidad de calor que hay que suministrar a la corriente de 𝐶%#7 para elevar un grado su temperatura. NTU (Número de unidades de transferencias): 𝑵𝑻𝑼 =𝑼∗𝑨 𝑪𝒎𝒊𝒏 Donde: - NTU es el número de veces que el intercambiador contiene a la unidad de transferencia. - A es el área de transferencia y depende del tipo de intercambiador de calor a utilizar. Áreas especificas para cada tipo de intercambiador en el punto 3 de la memoria. - U es el coeficiente de transferencia de calor y tiene la siguiente expresión: 𝑈 =$ 1 1 ℎ"+𝐹$" +𝐴"∗ln H 𝐷" 𝐷# I 2∗𝜋 ∗𝑘 ∗𝐿 +𝐴" 𝐴#∗𝐹$# +𝐴" 𝐴#∗1 ℎ# Donde: - ℎ" y ℎ# son los coeficientes de película exterior e interior a los tubos del intercambiador. Estos coeficientes de película dependen del número de Reynolds, de Prandtl y de Nusselt. El cálculo de los mismos se aprecia en el posterior desarrollo de los diferentes problemas. - 𝐹$" y 𝐹$# son los factores de ensuciamiento exterior e interior del intercambiador. - 𝐴" y 𝐴# son las áreas exterior e interior de los tubos del intercambiador. - 𝐷" y 𝐷# son los diámetros exterior e interior de los tubos del intercambiador. - 𝑘 es la conductividad térmica de los tubos del intercambiador. - 𝐿 es la longitud de los tubos del intercambiador. 67 Efectividad: 𝑬 = 𝑸 𝑸𝒎𝒂𝒙 Donde: - Q es el calor realmente transferido. Es igual al calor que pierde el caliente o calor que gana el frío. 𝑄 = 𝐶)∗∆𝑇)= 𝐶8∗∆𝑇8 - 𝑄%&' es el calor máximo transferible. Es el que se transferiría si el fluido de 𝐶%#7 experimentara el alto máximo posible. 𝑄%&' = 𝐶%#7 ∗∆𝑇%&' Cálculo de E y NTU a través de gráficos y expresiones: Para la resolución de los problemas de intercambiadores a través del método E-NTU, es necesario hacer uso de unas expresiones que relacionan la efectividad E, con el número de unidades de transferencia NTU y con la relación de capacidades R. Estas expresiones se han obtenidos de la normativa ESDU 98005 y varían en función del tipo de intercambiador de calor. Además de las expresiones matemáticas, la normativa proporciona las gráficas que relacionan estos parámetros. Tanto las expresiones como las gráficas quedan de la siguiente manera: - Intercambiador de calor de carcasa y tubos: Tabla 5-1.- Expresiones de E y NTU para intercambiadores de calor de carcasa y tubos. 68 Tabla 5-2.- Relación entre E y NTU para intercambiadores de calor de carcasa y tubos. - Intercambiador de calor de doble tubo: Tabla 5-3.- Expresiones de E y NTU para intercambiadores de calor de doble tubo. 69 Tabla 5-4.- Relación entre E y NTU para intercambiadores de calor de doble tubo. - Intercambiador de calor de placas: 70 Tabla 5-5.- Relación entre E y NTU para intercambiadores de calor de placas. Antes de comenzar con el cálculo de los intercambiadores, hay que aclarar que en este punto se va a utilizar como hipótesis el hecho de que los tubos de los intercambiadores de calor de carcasa y tubos y de los intercambiadores de doble tubo son de pared delgada (espesor despreciable). Lo mismo ocurre con las placas del intercambiador de placas, por lo que simplificaría la expresión del coeficiente de transferencia de calor U. Este coeficiente queda aún más simplificado al tomar también como hipótesis el hecho de que los factores de ensuciamiento son despreciables. En el punto 6 se tratará el tema del ensuciamiento en los intercambiadores de calor y se llevará a cabo un estudio de los intercambiadores teniendo en cuenta estos factores. Una vez definidas las hipótesis y las expresiones necesarias para llevar a cabo el estudio, se procede a ejecutar los diferentes problemas: 71 5.1. Intercambiadores de calor de carcasa y tubos antes de ensuciamiento 72 73 80 5.4. Análisis de resultados Con el objetivo de estudiar el diseño de los intercambiadores de calor tanto para el caso en el que circulan por ellos leche como jugo de naranja, se procede a realizar los mismos problemas descritos en los puntos anteriores, pero cambiando las propiedades de un fluido por las del otro. Además, se van ha estudiar los casos de esterilización, pasteurización LTLT y pasteurización HTST descritas en el punto 3.4 de la memoria. Con el objetivo de conseguir un rango diferente de resultados, al que no se pudiera llegar únicamente con un intercambiador de calor, se puede llegar a colocar tanto en serie como en paralelo más intercambiadores. En las tablas posteriores se muestra la manera en la que varían los parámetros al variar además de el tipo de intercambiador de calor, la temperatura del fluido caliente y el tipo de fluido que circula por los intercambiadores, el caudal del fluido frío y la temperatura de entrada del fluido frío: Esterilización (Tce=120 C, Tcs=50 C) Leche (Carcasa y tubos) mff (Kg/s) Tfe (C) Tfs (C) mfc (Kg/s) L (m) A (m2) U A*U (m2) 0.5 10 79.15 0.46 0.30 0,2793 249,4 69,65742 0.5 30 87.48 0.38 0.13 0,1192 235,4 28,05968 0.8 10 51.03 0.44 0.04 0,03381 260,4 8,804124 0.8 30 59.36 0.31 0.02 0,02138 221,4 4,733532 Jugo de naranja (Carcasa y tubos) mff (Kg/s) Tfe (C) Tfs (C) mfc (Kg/s) L (m) A (m2) U A*U (m2) 0.5 10 79.15 0.46 0.26 0,249 279,8 69,6702 0.5 30 87.48 0.38 0.12 0,112 250,7 28,0784 0.8 10 51.03 0.44 0.03 0,0298 295,6 8,80888 0.8 30 59.36 0.31 0.02 0,01997 237,1 4,734887 Tabla 5-6.- Resultados para el caso de carcasa y tubos en esterilización antes de ensuciamiento. 0 5 10 15 20 25 30 0.5 0.8 0 20 40 60 80 10 30 81 Analizando los resultados, se puede observar como, para este caso, manteniendo la temperatura constante, el AU disminuye al aumentar el caudal tanto de la leche como del jugo de naranja. De igual manera, manteniendo el caudal constante, el AU disminuye al aumentar la temperatura de entrada al intercambiador tanto de la leche como del jugo de naranja. Leche (Doble tubo) mff (Kg/s) Tfe (C) Tfs (C) mfc (Kg/s) L (m) A (m2) U A*U (m2) 2.5 10 94.14 2.80 0.62 0,196 15,47 3,03212 2.5 30 102.5 2.41 0.3 0,09447 16,69 1,5767043 3 10 79.15 2.76 0.41 0,1281 13,41 1,717821 3 30 87.48 2.29 0.67 0,2111 14,7 3,10317 Jugo de naranja (Doble tubo) mff (Kg/s) Tfe (C) Tfs (C) mfc (Kg/s) L (m) A (m2) U A*U (m2) 2.5 10 94.14 2.8 0.32 0,1 30,06 3,006 2.5 30 102.5 2.41 0.19 0,06 26,74 1,6044 3 10 79.15 2.76 0.16 0,0576 29,81 1,717056 3 30 87.48 2.29 0.38 0,12 25,77 3,0924 Tabla 5-7.- Resultados para el caso de doble tubo en esterilización antes de ensuciamiento. Analizando los resultados, se puede observar como, para este caso, manteniendo la temperatura constante, el AU aumenta al aumentar el caudal tanto de la leche como del jugo de naranja. Por el contrario, manteniendo el caudal constante, el AU disminuye al aumentar la temperatura de entrada al intercambiador tanto de la leche como del jugo de naranja. 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 2.5 3 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 10 30 82 Leche (Placas) mff (Kg/s) Tfe (C) Tfs (C) mfc (Kg/s) h (m) A (m2) U A*U (m2) 2.5 10 112.1 3.4 0.18 4,725 10639 50269,275 2.5 20 116.3 3.2 0.25 6,766 11018 74547,788 3 10 94.14 3.36 0.11 2,869 10556 30285,164 3 20 98.31 3.12 0.12 3,208 11117 35663,336 Jugo de naranja (Placas) mff (Kg/s) Tfe (C) Tfs (C) mfc (Kg/s) h (m) A (m2) U A*U (m2) 2.5 10 112.1 3.4 0.14 3,746 13421 50275,066 2.5 20 116.3 3.2 0.20 5,648 13199 74547,952 3 10 94.14 3.36 0.08 2,113 14334 30287,742 3 20 98.31 3.12 0.09 2,544 14022 35671,968 Tabla 5-8.- Resultados para el caso de placas en esterilización antes de ensuciamiento. Analizando los resultados, se puede observar como, para este caso, manteniendo la temperatura constante, el AU disminuye al aumentar el caudal tanto de la leche como del jugo de naranja. Por el contrario, manteniendo el caudal constante, el AU aumenta al aumentar la temperatura de entrada al intercambiador tanto de la leche como del jugo de naranja. 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 2.5 3 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 10 20 83 Pasteurización LTLT (Tce=60 C, Tcs=45 C) Leche (Carcasa y tubos) mff (Kg/s) Tfe (C) Tfs (C) mfc (Kg/s) L (m) A (m2) U A*U (m2) 0.5 10 39.63 0.92 0.02 0,02309 293,7 6,781533 0.5 30 54.63 0.76 0.03 0,0325 296,7 9,64275 0.8 10 27.58 0.87 0.11 0,1039 332 34,4948 0.8 30 42.58 0.62 0.12 0,1031 300,6 30,99186 Jugo de naranja (Carcasa y tubos) mff (Kg/s) Tfe (C) Tfs (C) mfc (Kg/s) L (m) A (m2) U A*U (m2) 0.5 10 39.63 0.92 0.02 0,018 367,9 6,6222 0.5 30 54.63 0.76 0.03 0,0288 335,1 9,65088 0.8 10 27.58 0.87 0.09 0,085 406,4 34,544 0.8 30 42.58 0.62 0.10 0,093 333,8 31,0434 Tabla 5-9.- Resultados para el caso de carcasa y tubos en pasteurización LTLT antes de ensuciamiento. Analizando los resultados, se puede observar como, para este caso, manteniendo la temperatura constante, el AU aumenta al aumentar el caudal tanto de la leche como del jugo de naranja. De igual manera, manteniendo el caudal constante, el AU aumenta al aumentar la temperatura de entrada al intercambiador tanto de la leche como del jugo de naranja. 0 5 10 15 20 25 30 35 0.5 0.8 0 2 4 6 8 10 12 10 30 84 Leche (Doble tubo) mff (Kg/s) Tfe (C) Tfs (C) mfc (Kg/s) L (m) A (m2) U A*U (m2) 2.5 10 46.06 5.59 5.36 1,683 18,13 30,51279 2.5 30 61.06 4.82 1.94 0,6103 22,44 13,695132 3 10 39.63 5.52 3.79 1,191 16,93 20,16363 3 30 54.63 4.59 1.54 0,4852 20,39 9,893228 Jugo de naranja (Doble tubo) mff (Kg/s) Tfe (C) Tfs (C) mfc (Kg/s) L (m) A (m2) U A*U (m2) 2.5 10 46.06 5.59 2.10 0,658 46,35 30,4983 2.5 30 61.06 4.82 1.06 0,332 41,28 13,70496 3 10 39.63 5.52 1.39 0,438 46,05 20,1699 3 30 54.63 4.59 0.79 0,248 39,87 9,88776 Tabla 5-10.- Resultados para el caso de doble tubo en pasteurización LTLT antes de ensuciamiento. Analizando los resultados, se puede observar como, para este caso, manteniendo la temperatura constante, el AU disminuye al aumentar el caudal tanto de la leche como del jugo de naranja. De igual manera, manteniendo el caudal constante, el AU disminuye al aumentar la temperatura de entrada al intercambiador tanto de la leche como del jugo de naranja. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 2.5 3 0 5 10 15 20 25 30 35 10 30 85 Leche (Placas) mff (Kg/s) Tfe (C) Tfs (C) mfc (Kg/s) h (m) A (m2) U A*U (m2) 2.5 10 53.77 6.79 0.12 3,205 7969 25540,645 2.5 15 57.52 6.60 0.16 4,424 8470 37471,28 3 10 46.06 6.71 0.08 2,217 8297 18394,449 3 15 49.81 6.48 0.11 2,516 8802 22145,832 Jugo de naranja (Placas) mff (Kg/s) Tfe (C) Tfs (C) mfc (Kg/s) h (m) A (m2) U A*U (m2) 2.5 10 53.77 6.79 0.07 1,868 13674 25543,032 2.5 15 57.52 6.60 0.10 2,757 13589 37464,873 3 10 46.06 6.71 0.05 1,243 14800 18396,4 3 15 49.81 6.48 0.06 1,51 14678 22163,78 Tabla 5-11.- Resultados para el caso de placas en pasteurización LTLT antes de ensuciamiento. Analizando los resultados, se puede observar como, para este caso, manteniendo la temperatura constante, el AU disminuye al aumentar el caudal tanto de la leche como del jugo de naranja. Por el contrario, manteniendo el caudal constante, el AU aumenta al aumentar la temperatura de entrada al intercambiador tanto de la leche como del jugo de naranja. 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 2.5 3 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 10 15 86 Pasteurización HTST (Tce=75 C, Tcs=55 C) Leche (Carcasa y tubos) mff (Kg/s) Tfe (C) Tfs (C) mfc (Kg/s) L (m) A (m2) U A*U (m2) 0.5 10 41.61 0.74 0.04 0,03737 282,2 10,545814 0.5 30 56.28 0.61 0.07 0,06672 282,5 18,8484 0.8 10 28.76 0.70 0.35 0,3282 315,6 103,57992 0.8 30 43.42 0.50 0.05 0,04374 282,8 12,369672 Jugo de naranja (Carcasa y tubos) mff (Kg/s) Tfe (C) Tfs (C) mfc (Kg/s) L (m) A (m2) U A*U (m2) 0.5 10 41.61 0.74 0.03 0,029 357,4 10,3646 0.5 30 56.28 0.61 0.06 0,058 323,7 18,7746 0.8 10 28.76 0.70 0.28 0,267 388,8 103,8096 0.8 30 43.42 0.50 0.04 0,039 316,8 12,3552 Tabla 5-12.- Resultados para el caso de carcasa y tubos en pasteurización HTST antes de ensuciamiento. Analizando los resultados, se puede observar como, para este caso, manteniendo la temperatura constante, el AU disminuye al aumentar el caudal tanto de la leche como del jugo de naranja. Por el contrario, manteniendo el caudal constante, el AU aumenta al aumentar la temperatura de entrada al intercambiador tanto de la leche como del jugo de naranja. 0 5 10 15 20 0.5 0.8 0 5 10 15 20 10 30 87 Leche (Doble tubo) mff (Kg/s) Tfe (C) Tfs (C) mfc (Kg/s) L (m) A (m2) U A*U (m2) 2.5 10 48.46 4.47 2.29 0,7194 14,59 10,496046 2.5 30 63.13 3.85 1.23 0,3868 18 6,9624 3 10 41.61 4.41 2.08 0,6531 13,56 8,856036 3 30 56.28 3.67 1.04 0,3262 16,28 5,310536 Jugo de naranja (Doble tubo) mff (Kg/s) Tfe (C) Tfs (C) mfc (Kg/s) L (m) A (m2) U A*U (m2) 2.5 10 48.46 4.47 0.79 0,247 42,57 10,51479 2.5 30 63.13 3.85 0.58 0,184 37,89 6,97176 3 10 41.61 4.41 0.67 0,21 42,26 8,8746 3 30 56.28 3.67 0.46 0,145 36,57 5,30265 Tabla 5-13.- Resultados para el caso de doble tubo en pasteurización HTST antes de ensuciamiento. Analizando los resultados, se puede observar como, para este caso, manteniendo la temperatura constante, el AU disminuye al aumentar el caudal tanto de la leche como del jugo de naranja. De igual manera, manteniendo el caudal constante, el AU disminuye al aumentar la temperatura de entrada al intercambiador tanto de la leche como del jugo de naranja. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 2.5 3 0 2 4 6 8 10 12 10 30 88 Leche (Placas) mff (Kg/s) Tfe (C) Tfs (C) mfc (Kg/s) h (m) A (m2) U A*U (m2) 2.5 10 56.69 5.43 0.07 1,88 8135 15293,8 2.5 20 64.02 5.12 0.08 2,259 9148 20665,332 3 10 48.46 5.37 0.06 1,522 8435 12838,07 3 20 55.8 5.00 0.06 1,679 9456 15876,624 Jugo de naranja (Placas) mff (Kg/s) Tfe (C) Tfs (C) mfc (Kg/s) h (m) A (m2) U A*U (m2) 2.5 10 56.69 5.43 0.04 1,029 14873 15304,317 2.5 20 64.02 5.12 0.05 1,41 14668 20681,88 3 10 48.46 5.37 0.03 0,8 16034 12827,2 3 20 55.8 5.00 0.04 1,008 15742 15867,936 Tabla 5-14.- Resultados para el caso de placas en pasteurización HTST antes de ensuciamiento. Analizando los resultados, se puede observar como, para este caso, manteniendo la temperatura constante, el AU disminuye al aumentar el caudal tanto de la leche como del jugo de naranja. Por el contrario, manteniendo el caudal constante, el AU aumenta al aumentar la temperatura de entrada al intercambiador tanto de la leche como del jugo de naranja. 0 5000 10000 15000 20000 25000 2.5 3 0 5000 10000 15000 20000 25000 10 20 89 96 97 6.4. Intercambiadores de calor de doble tubo después de ensuciamiento 98 99 100 6.5. Intercambiadores de calor de placas después de ensuciamiento 101 102 103 6.6. Análisis de resultados Con el objetivo de estudiar el diseño de los intercambiadores de calor después de tener en cuenta el ensuciamiento, tanto para el caso en el que circulan por ellos leche como jugo de naranja, se procede a realizar los mismos problemas descritos en los puntos anteriores, pero cambiando las propiedades de un fluido por las del otro. Además, se van ha estudiar los casos de esterilización, pasteurización LTLT y pasteurización HTST descritas en el punto 3.4 de la memoria. Con el objetivo de conseguir un rango diferente de resultados, al que no se pudiera llegar únicamente con un intercambiador de calor, se puede llegar a colocar tanto en serie como en paralelo más intercambiadores. En las tablas posteriores se muestra la manera en la que varían los parámetros al variar además de el tipo de intercambiador de calor, la temperatura del fluido caliente y el tipo de fluido que circula por los intercambiadores, el caudal del fluido frío y la temperatura de entrada del fluido frío: Esterilización (Tce=120 C, Tcs=50 C) Leche (Carcasa y tubos) mff (Kg/s) Tfe (C) Tfs (C) mfc (Kg/s) L (m) A (m2) U A*U (m2) 0.5 10 79.15 0.46 0.59 0,5579 124,8 69,62592 0.5 30 87.48 0.38 0.25 0,2314 121,2 28,04568 0.8 10 51.03 0.44 0.07 0,069 127,5 8,7975 0.8 30 59.36 0.31 0.04 0,04 117,4 4,696 Jugo de naranja (Carcasa y tubos) mff (Kg/s) Tfe (C) Tfs (C) mfc (Kg/s) L (m) A (m2) U A*U (m2) 0.5 10 79.15 0.46 0.412 0,388 179 69,6072 0.5 30 87.48 0.38 0.178 0,168 167 28,056 0.8 10 51.03 0.44 0.05 0,047 185,8 8,7326 0.8 30 59.36 0.31 0.03 0,03 160,8 4,824 Tabla 6-1.- Resultados para el caso de carcasa y tubos en esterilización después de ensuciamiento. 0 5 10 15 20 25 30 0.5 0.8 0 10 20 30 40 50 60 70 80 10 30 104 Analizando los resultados, se puede observar como, para este caso, manteniendo la temperatura constante, el AU disminuye al aumentar el caudal tanto de la leche como del jugo de naranja. De igual manera, manteniendo el caudal constante, el AU disminuye al aumentar la temperatura de entrada al intercambiador tanto de la leche como del jugo de naranja. Leche (Doble tubo) mff (Kg/s) Tfe (C) Tfs (C) mfc (Kg/s) L (m) A (m2) U A*U (m2) 2.5 10 94.14 2.80 0.58 0,183 16,56 3,03048 2.5 30 102.5 2.41 0.28 0,0887 17,77 1,576199 3 10 79.15 2.76 0.38 0,1185 14,49 1,717065 3 30 87.48 2.29 0.63 0,1965 15,79 3,102735 Jugo de naranja (Doble tubo) mff (Kg/s) Tfe (C) Tfs (C) mfc (Kg/s) L (m) A (m2) U A*U (m2) 2.5 10 94.14 2.8 0.30 0,094 32,22 3,02868 2.5 30 102.5 2.41 0.17 0,055 28,87 1,58785 3 10 79.15 2.76 0.17 0,054 31,98 1,72692 3 30 87.48 2.29 0.35 0,111 27,89 3,09579 Tabla 6-2.- Resultados para el caso de doble tubo en esterilización después de ensuciamiento. Analizando los resultados, se puede observar como, para este caso, manteniendo la temperatura constante, el AU aumenta al aumentar el caudal tanto de la leche como del jugo de naranja. Por el contrario, manteniendo el caudal constante, el AU disminuye al aumentar la temperatura de entrada al intercambiador tanto de la leche como del jugo de naranja. 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 2.5 3 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 10 30 105 Leche (Placas) mff (Kg/s) Tfe (C) Tfs (C) mfc (Kg/s) h (m) A (m2) U A*U (m2) 2.5 10 112.1 3.4 7.62 205,8 244,3 50276,94 2.5 20 116.3 3.2 11.29 304,9 244,5 74548,05 3 10 94.14 3.36 4.60 124 244,2 30280,8 3 20 98.31 3.12 5.40 145,9 244,5 35672,55 Jugo de naranja (Placas) mff (Kg/s) Tfe (C) Tfs (C) mfc (Kg/s) h (m) A (m2) U A*U (m2) 2.5 10 112.1 3.4 3.86 104,3 482 50272,6 2.5 20 116.3 3.2 5.73 154,7 481,8 74534,46 3 10 94.14 3.36 2.32 62,69 483,1 30285,539 3 20 98.31 3.12 2.74 73,88 482,8 35669,264 Tabla 6-3.- Resultados para el caso de placas en esterilización después de ensuciamiento. Analizando los resultados, se puede observar como, para este caso, manteniendo la temperatura constante, el AU disminuye al aumentar el caudal tanto de la leche como del jugo de naranja. Por el contrario, manteniendo el caudal constante, el AU aumenta al aumentar la temperatura de entrada al intercambiador tanto de la leche como del jugo de naranja. 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 2.5 3 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 10 20 112 113 REFERENCIAS Ramón A. Linares, «Conductividad térmica de jugos en función de la temperatura/concentración». M. Fernández-Torrijos, J.A. Almendros-Ibáñez, C. Sobrino, D. Santana, «E-NTU relationships in parallel-series arrangements: Application to plate and tubular heat exchangers». Nehemías Hernán Morales Peña, «La importancia de los intercambiadores de calor en la industria alimentaria». Luís Gutiérrez Fragosa, «Diseño y optimización de un sistema pasteurizador de leche para productores pequeños, mediante simulación en EES (Engineering Equation Solver)». José Sánchez Ramos, M. Carmen Guerrero Delgado, «Intercambiadores. Fundamentos y conceptos básicos», Presentación proporcionada por el departamento. José Sánchez Ramos, M. Carmen Guerrero Delgado, «Intercambiadores. Métodos Generales de Diseño de Intercambiadores», Presentación proporcionada por el departamento. Normativa: ESDU 98005. HRS Heat Exchangers: www.hrs-heatexchangers.com FUNKE. Quality Heat Exchangers: https://www.funke.de/pdf/es/funke_rbwt_es.pdf Sacome. Intercambiadores de calor de doble tubo: https://www.sacome.com/intercambiadores-calordoble-tubo/ 114