1

INTRODUCCIÓN

Muchas operaciones unitarias utilizadas en la elaboración de

alimentos requieren de transferencia de calor, desde o hacia estos. La

transferencia de calor puede efectuarse por 3 mecanismos: la conducción, la

convección y la radiación (Fellows, 1994). Según Çengel (2007), la

conducción es la transferencia de energía de las partículas más energéticas

de una sustancia hacia las adyacentes, menos energéticas, como resultado

de la interacción entre ellas; la convección es el modo de transferencia de

calor entre una superficie sólida y un líquido o gas adyacentes que están en

movimiento, y comprende los efectos combinados de la conducción y del

movimiento del fluido; por su parte, la radiación es la energía emitida por la

materia en forma de ondas electromagnéticas (o fotones), como resultado de

los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas.

Según Rodríguez (1999), en determinados procesos de la industria

alimentaria, la transmisión de calor adquiere una importancia relevante en

procesos tales como los diferentes tratamientos para la destrucción de

microorganismos (esterilización, pasteurización, escaldado, entre otros) y

conservación de alimentos mediante el frío (refrigeración y congelación), a la

vez que resulta especialmente importante sobre las propiedades de los

alimentos (color, olor, sabor, textura y valor nutritivo).

En una planta de procesado, el calentamiento y enfriamiento de los

alimentos se lleva a cabo en equipos denominados intercambiadores de calor

(Singh y Heldman, 1998); los cuales también pueden ser llamados

cambiadores de calor, termocambiadores o termopermutadores (Amigo,

2000).

2

Los intercambiadores de calor pueden clasificarse de manera genérica

en intercambiadores directos e indirectos. Como sugiere esta denominación,

en los intercambiadores indirectos el producto y el agente calefactor o

refrigerante se mantienen separados físicamente mediante una pared,

generalmente metálica. En los intercambiadores de calor directos hay

contacto físico entre el producto y el agente calefactor o refrigerante. Por

ejemplo, en un intercambiador de calor por inyección de vapor (directo), este

último es inyectado directamente en el producto a calentar, mientras que en

un intercambiador de calor de placas (indirecto), una lámina metálica separa

la corriente de producto y la del agente calefactor o refrigerante permitiendo

la transmisión de calor e impidiendo la mezcla de las corrientes (Singh y

Heldman, 1998).

Las direcciones del flujo de los fluidos en los intercambiadores de calor

indirectos pueden ser de flujo paralelo o en serie, bien sea en el mismo

sentido (equicorriente) o en sentido opuesto (contracorriente), y de flujo

cruzado, cuando las corrientes mantienen direcciones que se cruzan,

generalmente en forma perpendicular (Hermida, 2000). Por su parte, en los

intercambiadores de calor directos solo se considera la mezcla de los fluidos

ya sea por infusión o por inyección del vapor en los alimentos (Lewis y

Heppell, 2000).

Cuando se diseñan los intercambiadores de calor, se toma en

consideración que el coeficiente global de transmisión de calor del mismo

sea lo suficientemente elevado para obtener un buen rendimiento del equipo.

Sin embargo, para obtener los más altos valores para este coeficiente es

necesario ajustar las variables de las que depende, las cuales son: la

turbulencia del flujo, la forma, el espesor, el tipo de material de fabricación, y

la presencia de depósitos en la superficie de intercambio de calor, también

conocida como ensuciamiento (Casp y Abril, 1999).

3

Existe una amplia gama de alimentos que pueden ser sometidos a

procesamiento mediante intercambiadores de calor, pero el tipo de

intercambiador de calor a escoger dependerá principalmente de ciertos

factores como la viscosidad del alimento, el tipo de tratamiento que se quiera

suministrar al alimento y los niveles de producción que se requieran alcanzar

(Richardson, 2000).

El objetivo de este Seminario fue describir determinados aspectos

relacionados con la clasificación, el funcionamiento y el ensuciamiento de los

intercambiadores de calor empleados en la industria de los alimentos,

haciendo mención de algunos modelos y marcas comerciales, así como de

ciertos alimentos que pueden ser procesados en ellos.

4

GENERALIDADES DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR

Definición de Intercambiador de Calor.

Según Shah y Sekulic (1998), un intercambiador de calor es un equipo

empleado para transferir energía térmica entre 2 o más fluidos, entre una

superficie sólida y un fluido, o entre partículas sólidas y un fluido, a

temperaturas diferentes y en contacto térmico, usualmente sin calentamiento

externo ni interacciones de trabajo. Otros autores, como Amigo (2000) y

Çengel (2007), definen los intercambiadores de calor como aparatos que

facilitan el intercambio de calor entre 2 fluidos que se encuentran a

temperaturas diferentes y evitan al mismo tiempo que se mezclen entre sí.

Clasificación de los Intercambiadores de Calor.

Singh y Heldman (1998), clasifican a los intercambiadores de calor

según el tipo de contacto que poseen con el alimento que calientan o enfrían,

en intercambiadores de contacto directo y de contacto indirecto, tal y como

se puede observar en la Fig. 1. A su vez, en la Fig. 2, se esquematiza una

clasificación de los intercambiadores de calor indirectos, según Amigo

(2000).

Por su parte, Rodríguez (1999), ha establecido la siguiente

clasificación para los intercambiadores de calor:

Regeneradores: en estos, un fluido caliente y un fluido frío circulan

alternativamente. Cuando circula el fluido caliente, este se enfría en su

paso a través del regenerador, acumulándose la energía en el último; a

continuación, circula el fluido frío, que aumenta su temperatura al

recuperar la energía que previamente se había almacenado en el

regenerador.

5

Fig. 1. Clasificación de los intercambiadores de calor.

Fuente: Singh y Heldman, 1998.

6

Fig. 2. Clasificación de los intercambiadores de calor indirectos.

Fuente: Amigo, 2000.

7

Intercambiadores cerrados: en estos equipos, los fluidos circulan

simultáneamente intercambiando calor, manteniéndose separados por

una pared metálica.

Intercambiadores abiertos: donde los fluidos intercambian calor al entrar

en contacto directo entre ellos.

Descripción de los Intercambiadores de Calor.

De acuerdo con la clasificación establecida por Singh y Heldman

(1998), a continuación se hace una breve descripción de diferentes

intercambiadores de calor tomando en consideración el material de

fabricación, su funcionamiento, su mínima o máxima capacidad de operación

en función de la presión, el volumen o la temperatura, así como los alimentos

que pueden ser procesados en cada uno de ellos, entre otras características.

De igual forma, se mencionan las propiedades de determinados

intercambiadores de calor diseñados y comercializados por algunos

fabricantes a nivel mundial.

Intercambiadores de calor indirectos.

Los intercambiadores de calor de contacto indirecto, son aquellos que

facilitan el intercambio de calor entre 2 fluidos que se encuentran a

temperaturas diferentes, evitando al mismo tiempo que se mezclen entre sí

(Çengel, 2007). Entre los fluidos que intervienen se encuentran el producto

alimenticio y el agente calefactor o el agente refrigerante, estando estos

separados mediante una pared metálica (Singh y Heldman, 1998).

Atendiendo a las direcciones del flujo de ambos fluidos en el interior

del equipo, los intercambiadores de calor pueden ser: de flujo paralelo o en

serie y de flujo cruzado. El flujo paralelo es aquel que se da cuando los

fluidos mantienen direcciones paralelas, bien sea en el mismo sentido

(equicorriente) o en sentido opuesto (contracorriente); mientras que el flujo

8

cruzado es el que ocurre cuando las corrientes mantienen direcciones que se

cruzan, formando un ángulo, generalmente perpendicular (Amigo, 2000;

Hermida, 2000).

Los intercambiadores de calor de contacto indirecto incluyen a los

intercambiadores tubulares, intercambiadores de superficies rascadas o

raspadas, intercambiadores de carcasa y tubos y a los intercambiadores de

placas (Singh y Heldman, 1998; Sharma y otros, 2003).

Intercambiadores de calor tubulares. Bajo este nombre se agrupan

todos los intercambiadores de calor en los que la superficie de intercambio

está formada por tubos, cualquiera que sea su disposición (Casp y Abril,

1999). Estos equipos, después de los intercambiadores de calor de placas,

son los más comunes en la industria de los alimentos (Sannervik y otros,

1996).

Intercambiadores de calor de tubo liso. Según Amigo (2000), los

intercambiadores de calor tubulares más sencillos que se pueden encontrar

en la industria del procesado de alimentos son los de tubo liso o tubo único.

Dentro de ellos circula el agente calefactor o el refrigerante y su parte externa

entra en contacto con el alimento. Las 2 variantes más comunes de estos

intercambiadores se describen a continuación:

El intercambiador de calor de haces tubulares, que consta de varios tubos

paralelos que van soldados por sus extremos, a otros, un poco más

gruesos, denominados colectores, tal y como se muestra en la Fig. 3.

Estos trabajan generalmente en inmersión y operan, bien como

evaporadores de una máquina frigorífica, o como integrantes de un

circuito secundario, ya sea para calentamiento o refrigeración del fluido en

el cual se hallan sumergidos. Se pueden fabricar con materiales

metálicos, como los tradicionales, así como con materiales sintéticos,

9

Fig. 3. Intercambiador de calor de haces tubulares.

Fuente: Amigo, 2000.

10

inertes y flexibles, como el polietileno reticulado, que permiten su

introducción en depósitos con puntos de acceso estrechos.

El intercambiador de calor de serpentín, que consiste en un tubo liso

enrollado en espiral, para evitar el empleo de codos y colectores. Este se

encuentra diseñado en forma de carrito sobre el cual se soporta una

máquina frigorífica, como se muestra en la Fig. 4. El diseño que posee

este equipo, permite fácilmente su traslado.

Los citados equipos son frecuentemente empleados en enología para

el control de la temperatura de fermentación de los mostos, en instalaciones

técnicamente poco actualizadas. En los últimos años, los intercambiadores

de calor de serpentín han evolucionado para dar lugar a los depósitos con

camisas, en los cuales el serpentín se ha sustituido por una doble pared, que

envuelve la parte superior externa del depósito, como puede apreciarse en la

Fig. 5 (Amigo, 2000).

Revial, S.L. (2004), una empresa manufacturera de maquinaria

enológica, ha dispuesto en el mercado varios modelos de depósitos de

fermentación de mostos, marca COSVAL®, los cuales poseen integradas

camisas de refrigeración y son fabricados en acero inoxidable. Estos poseen

capacidades que van desde 1.500 hasta 80.000 l de producto.

Intercambiadores de calor de tubos coaxiales. Los intercambiadores

de calor de tubos coaxiales son también llamados de tubos concéntricos o de

tubo doble. Estos constan de 2 tubos de diámetro diferente, encontrándose el

de menor diámetro en el interior del otro tubo. Por el interior de los mismos

circulan paralelamente los fluidos, ya sea en el mismo sentido o en sentido

contrario, como se indicó anteriormente, siendo el producto alimenticio el que

generalmente fluye por el espacio central, mientras que el fluido térmico fluye

11

(a) (b)

Fig. 4. Intercambiador de calor de serpentín: (a) serpentín y (b) cámara

frigorífica sobre carrito, mientras se inserta el serpentín en un tanque de

fermentación.

Fuente: Amigo, 2000.

Fig. 5. Depósito con camisa.

Fuente: Amigo, 2000.

12

por el espacio anular que queda libre entre los 2 tubos (Singh y Heldman,

1998; Casp y Abril, 1999).

Los tubos que se emplean en la fabricación de estos intercambiadores

pueden ser lisos o corrugados (Casp y Abril, 1999). La corrugación ondula la

superficie del tubo de forma regular y la superficie ondulante de ambos tubos

crea entrantes y salientes, que obligan a los fluidos a circular en régimen

turbulento, lo que mejora la transferencia de calor. Por otra parte, estos

intercambiadores ofrecen un gran número de posibilidades en cuanto al

diseño del tubo, tamaño, forma y profundidad del corrugado, cuya adaptación

a los diferentes alimentos a tratar varía en función de las características

físicas de los mismos (viscosidad, densidad, presencia de partículas sólidas,

tamaño de las partículas). Estos tubos se fabrican en acero inoxidable, acero

al carbono y materiales que se adapten bien a las características de los

productos a tratar (Amigo, 2000).

En la Fig. 6, se muestra la estructura de un intercambiador coaxial

corrugado.

Fellows (2000), menciona que los intercambiadores de calor tubulares

pueden funcionar a presiones elevadas (hasta 100 bar ó 10.000 kPa) y que

los fluidos pueden alcanzar velocidades de flujo de hasta 6 m/s. Sin

embargo, también menciona algunas desventajas del empleo de estos

equipos:

La inspección de las superficies de intercambio, para la detección de un

eventual cúmulo de depósitos (ensuciamiento o incrustaciones), se realiza

con gran dificultad.

Solamente son utilizables en alimentos de poca viscosidad (hasta

1,5 N.s/m2 o 1.500 cp).

13

Fig. 6. Intercambiador de calor de tubos coaxiales corrugados.

Fuente: Amigo, 2000.

14

Con la finalidad de aumentar la superficie de intercambio de calor en

los intercambiadores de calor coaxiales, se han desarrollado unas

disposiciones espaciales que van desde el intercambiador recto, pasando

por el acodado o en “U”, hasta el enrollado en espiral, tal y como se

observa en la Fig. 7. Los intercambiadores acodados pueden disponerse en

varios planos, para lo cual se hace imprescindible el empleo de un soporte o

armazón que facilite el montaje de los tubos, tal y como se muestra en la

Fig. 8 (Amigo, 2000).

La corporación HRS Heat Exchangers Limited (2002), ha diseñado el

intercambiador de calor de doble tubo, modelo DTA, especialmente

desarrollado para su aplicación en el procesamiento de los alimentos, el cual

posee las siguientes características:

Los tubos de este equipo son fabricados con acero inoxidable y poseen

corrugaciones en sus superficies.

Las longitudes estándar del equipo son de 3 y 6 m.

El diámetro del tubo externo puede ser de 51, 64, 76, 104 ó 129 mm.

El diámetro del tubo interno puede ser de 25, 51, 64, 76 ó 104 mm.

Pueden operar a una presión y una temperatura máximas de 10 bar

(1.000 kPa) y 185 °C, respectivamente.

Pueden procesar alimentos con partículas de hasta 50 mm de diámetro.

Son fácilmente desmontables para inspección y lavado.

Entre los alimentos que pueden ser procesados en intercambiadores

de calor de tubos coaxiales se encuentran: cremas y pulpas de frutas u

hortalizas, yogurt con trozos de frutas, mostos, jugos, mermeladas, sopas,

aceite vegetal, salsa de tomate (kétchup) y mostaza, entre otros productos

(HRS Heat Exchangers Limited, 2002).

15

Fig. 7. Intercambiadores de calor coaxiales: (a) recto, (b) acodado o en “U” y

(c) enrollado.

Fuente: Amigo, 2000.

16

Fig. 8. Intercambiador de calor de tubos coaxiales acodados y montados

sobre un soporte.

Fuente: HRS Heat Exchangers Limited, 2002.

17

Intercambiadores de calor de triple tubo concéntrico. Según Zuritz

(1990), los intercambiadores de calor de triple tubo concéntrico son una

versión mejorada de los intercambiadores de calor coaxiales. Las mejoras

principales incluyen un área más grande por unidad de longitud de tubo,

disponible para la transferencia de calor, así como mejores coeficientes

globales de transferencia de calor. Estos equipos están integrados por

3 tubos posicionados en un mismo eje, en donde los agentes refrigerantes y

calefactores circulan alternativamente por el tubo interior (de menor diámetro)

y por el espacio anular exterior (tubo de mayor diámetro), mientras que el

producto circula por el espacio anular intermedio.

Según Singh y Heldman (1998), algunas aplicaciones industriales de

los intercambiadores de calor de triple tubo concéntrico son:

El calentamiento intenso de zumo de naranja a 93 °C y posterior

enfriamiento a 4 °C.

El enfriamiento del agua de lavado del requesón desde 46 hasta 18 °C,

con agua fría.

El enfriamiento con amoníaco de la mezcla del helado desde 12 hasta

0,5 °C.

Satyanarayana y otros (1995), señalan que el tratamiento de la leche a

temperaturas ultra elevadas (UHT, siglas en inglés de “Temperaturas Ultra

Elevadas”) entre 130 y 150 °C, en intercambiadores de calor de triple tubo

concéntrico, resulta muy conveniente cuando se trata de procesamiento en

pequeña escala. Por otro lado, Ashurst (1999) señala que este tipo de

intercambiador de calor resulta satisfactorio para el procesamiento de

bebidas con trozos de frutas y altos contenidos de pulpa o fibra.

La corporación estadounidense SPX ha desarrollado en la actualidad

3 intercambiadores de calor tubulares corrugados, marca APV®, que

18

incluyen: el intercambiador de doble tubo, el intercambiador de tubo triple y el

intercambiador de 4 tubos concéntricos, elaborados con acero al carbono,

capaces de soportar temperaturas y presiones máximas de 285 °C y 60 bar

(6.000 kPa), respectivamente (SPX Corp, 2008).

Intercambiadores de calor de tubos con aletas. Los intercambiadores

de calor de tubos con aletas, también llamados aletados, son equipos que

están especialmente diseñados para mejorar el intercambio de calor entre 2

fluidos, 1 de los cuales, al menos, es un gas. Estos están elaborados a partir

de tubos de cobre o acero, acodados, dispuestos en un serpentín plano, de

una o varias capas, sobre las que se montan perpendicularmente al eje,

láminas muy finas de aluminio que se fijan a la superficie de los tubos, como

se muestra en la Fig. 9. La separación entre las láminas depende de las

aplicaciones y de los fabricantes, y puede oscilar desde 3 hasta 18 mm. La

unión entre las láminas o aletas y los tubos puede llevarse a cabo por

soldadura o cualquier otro procedimiento, siempre que el contacto entre las

superficies sea bueno y facilite la transmisión del calor (Amigo, 2000).

El fluido que circula por el exterior (entre las aletas), generalmente

“aire”, es impulsado a través de los tubos mediante ventiladores (Amigo,

2000). Por otro lado, el fluido que circula por el interior de los tubos puede

ser: amoníaco, dióxido de carbono, compuestos clorofluorocarbonados

(CFC) o hidrofluorocarbonados (HFC), entre otros, siendo estos últimos los

más utilizados en la actualidad, debido a que no presentan riesgos para la

integridad de la capa de ozono (Shah y Sekulic, 1998). En estos equipos el

intercambio se produce mediante el flujo cruzado de los fluidos. Cuando los

tubos van dispuestos en varios planos, se procura que la colocación sea al

“tresbolillo”, como se observa en la Fig. 10, para que el aire que circula entre

2 tubos de la primera fila se encuentre con un tubo de la segunda. Para

facilitar el movimiento de aire y proteger el equipo, muchos de estos

19

Fig. 9. Intercambiador de calor de tubos con aletas.

Fuente: Shah y Sekulic, 1998.

Fig. 10. Disposición de los tubos al tresbolillo.

Fuente: Amigo, 2000.

20

intercambiadores se presentan dentro de una envolvente o armazón de

plástico, aluminio o acero, que a modo de caja facilita la instalación y permite

crear embocaduras en las que se colocan los ventiladores, como se muestra

en la Fig. 11 (Amigo, 2000).

Según Shah y Sekulic (1998), existen intercambiadores de calor de

tubos con aletas de hasta 3.300 m2/m3, comercialmente disponibles. A su

vez, el número de aletas por metro de tubo puede variar de 250 a 800 y el

grosor de las aletas oscila entre 0,08 y 0,25 mm. Un intercambiador de calor

de tubos con aletas con 400 aletas/m posee aproximadamente una densidad

de área superficial de 720 m2/m3.

Estos intercambiadores son extensamente empleados como

evaporadores y condensadores en aplicaciones de acondicionamiento de

aire y refrigeración, en las industrias de energía y de procesos (Shah y

Sekulic, 1998). A su vez, se emplean para el enfriamiento de cámaras

frigoríficas y equipos para conservación de alimentos, ya sea en refrigeración

o congelación (Amigo, 2000).

Frimetal S.A (2008), es una empresa española dedicada a la

fabricación y comercialización de evaporadores y condensadores que operan

a través de un sistema de intercambio de calor de tubos con aleta. Esta

organización ha diseñado una serie de evaporadores para enfriamiento y

congelación de alimentos, entre los cuales se mencionan los siguientes:

Serie GNHM, para cámaras de conservación en refrigeración a 2 °C.

Serie GNHB, para cámaras de conservación en congelación, a -20 °C.

Serie GNHL, para cámaras de bajas temperaturas, de -30 a -20 °C.

Serie GNHX, para túneles de congelación rápida, a - 40 °C.

21

Fig. 11. Intercambiador de calor de tubos con aleta, con envolvente y

ventiladores.

Fuente: Refrisa, 2008.

22

Estos equipos, a su vez, están construidos con tubos de acero

inoxidable, aletas de aluminio corrugado y carcasa exterior en chapa de

aluminio y galvanizada (Frimetal S.A., 2008).

Intercambiadores de calor de superficie rascada. Son

intercambiadores constituidos por 2 tubos concéntricos, dispuestos casi

siempre en posición vertical (Casp y Abril, 1999). Dentro del tubo central,

estos equipos disponen de un rotor o cilindro rotatorio, al que se encuentran

unidas una serie de paletas o láminas sólidas, que mantienen en continua

agitación al producto, raspando la superficie de intercambio, evitando así que

se produzcan depósitos (ensuciamiento) en dicha superficie, para mantener

un proceso de transferencia de calor uniforme (Harrod, 1986; Mabit y otros,

2008). Por el espacio anular entre ambos tubos, circula el agente calefactor

o refrigerante, que puede ser vapor, agua caliente o fría, salmuera u otro

refrigerante como Freón (Singh y Heldman, 1998).

Las paletas del intercambiador se fabrican cubiertas por un material

plástico y la velocidad de rotación de las mismas varía desde 150 hasta

500 rpm. Las superficies en contacto con los alimentos de estos equipos se

fabrican en acero inoxidable, níquel, aleación de cromo u otros materiales

resistentes a la corrosión (Singh y Heldman, 1998).

En la Fig. 12, se muestra un intercambiador de calor de superficie

rascada.

Ashurst (1999), ha señalado que existen intercambiadores de calor de

superficie rascada con distintas capacidades de procesamiento según las

necesidades de producción de alimentos, tal y como se indica a

continuación:

23

Fig. 12. Intercambiador de calor de superficie rascada.

Fuente: Richardson, 2000.

24

Intercambiadores de baja capacidad, que operan en posición vertical con

productos que poseen una viscosidad máxima de 100.000 cp, resistiendo

presiones de hasta 7 bar (700 kPa), y con un ritmo de producción de

2.000 a 8.000 l/h, según la viscosidad.

Intercambiadores de alta capacidad, que operan en posición vertical u

horizontal con productos que poseen una viscosidad máxima de 1.000

N.s/m2 (1.000.000 cp), resistiendo presiones máximas de 30 bar

(3.000 kPa), y con una capacidad de producción de hasta 10.000 l/h

de producto, según la viscosidad.

Tertlet Corp, es una empresa pionera en el diseño de

intercambiadores de calor de superficie rascada, que ha lanzado al mercado

los intercambiadores TERLOTHERM®, que constan de 6 modelos de

intercambiadores verticales con distintas capacidades de procesamiento, tal

y como se muestra en la Tabla 1. Estos equipos han sido diseñados para

trabajar con alimentos como jarabes (caramelo, chocolate, entre otros),

queso crema, salsas, purés de vegetales, mezclas de helados, sopas,

mostaza, mayonesa, mantequilla de maní, gelatinas, malvaviscos, jugos

concentrados, yogurt y huevos, entre otros productos. Además de las

aplicaciones básicas de estos equipos sobre los alimentos (calentamiento,

enfriamiento y mezclado), también se encuentran: la aireación, la gelificación

y el procesado aséptico (Tertlet Corp, 2008).

Intercambiadores de calor de carcasa y tubos. Estos intercambiadores

de calor también son denominados intercambiadores de calor multitubulares

(Ashurst, 1999; Amigo, 2000). Estos equipos se emplean cuando se requiere

un área de calefacción elevada, tomando en cuenta que poseen un volumen

más reducido para una superficie igual a la requerida por los

intercambiadores de calor tubulares. Básicamente, consisten en una carcasa

fija, en el interior de la cual se encuentran un conjunto de tubos cilíndricos

25

Tabla 1. Características de los intercambiadores de calor de superficie

rascada TERLOTHERM® manufacturados por Tertlet Corp.

Modelo Medios de

calentamiento

Medios de

enfriamiento

Volumen de

producto (l)

Área de

intercambio

de calor (m2)

T ½ Agua.

Vapor de

Agua.

Salmuera.

Agua.

Amoníaco.

Glicol.

20 0,6

T 0-4 30 1,0

T 1-4 70 2,4

T 1-6 70 2,4

T 2-4 130 4,4

T 2-6 130 4,4

Fuente: Tertlet Corp, 2008.

26

paralelos, situados horizontalmente o verticalmente (Rodríguez, 1999).

Según Amigo (2000), para mantener fijas las disposiciones

geométricas de los tubos interiores del intercambiador, estos van soldados

por sus extremos a las placas tubulares. A su vez, para obtener un equipo fijo

y obligar a los fluidos a circular en las direcciones y sentidos convenientes, la

parte anterior y la parte posterior de la carcasa van cerradas, quedando

limitadas por 2 piezas llamadas cabezales, que tienen funciones diferentes y

reciben nombres distintos. Uno de estos es el distribuidor o cabezal anterior,

por el cual entra el producto al intercambiador, obligándolo a circular por el

interior de los tubos más delgados; el otro es el cabezal trasero o fondo, por

el que sale el producto calentado o enfriado hacia el exterior.

La transferencia de calor tiene lugar a medida que uno de los fluidos

se mueve por dentro de los tubos, en tanto que el otro se mueve por fuera de

estos, dentro de la carcasa. Dentro de ésta, se sitúan desviadores o

deflectores, a intervalos regulares, que ayudan a mantener los tubos en su

posición y, además, obligan al fluido que circula por este espacio a describir

un movimiento ondulante a lo largo de su recorrido. Este movimiento hace

que la incidencia del fluido sobre los tubos se produzca formando un ángulo

perpendicular, por lo que se dice que el flujo es cruzado (Çengel, 2007).

Cuando se genera este tipo de flujo, la transmisión de calor entre los fluidos

es mayor que con el flujo paralelo (Singh y Heldman, 1998).

Según Shah y Sekulic (1998), los intercambiadores de calor de

carcasa y tubos, son ampliamente utilizados en la industria debido a la gran

capacidad y condiciones de operación que poseen, que incluyen desde el

trabajo a presiones ultra elevadas (1.000 bar ó 100.000 kPa) hasta el empleo

de elevadas temperaturas (cerca de 1100 °C). En estos intercambiadores

cualquier diferencia de presiones y temperaturas entre fluidos se encuentra

27

limitada por los materiales que se empleen en la construcción de estos

equipos. También pueden ser diseñados de diversos tamaños según las

necesidades, desde los más pequeños, con superficies de 1 m2, hasta los

más grandes que pueden alcanzar los 100.000 m2.

Los tubos en el interior de la carcasa pueden ser corrugados para

aumentar el coeficiente de transferencia de calor en un 30 %

aproximadamente, y a su vez son elaborados a base de acero

inoxidable para el procesamiento de productos alimenticios (Lewis y

Heppell, 2000).

En la Fig. 13, se representa un intercambiador de calor de carcasa y

tubos.

Según Amigo (2000), los intercambiadores de carcasa y tubos se

representan, en función del número de pasos que realizan los fluidos por la

carcasa y por los tubos, de la siguiente manera:

De un paso por la carcasa y un paso por los tubos.

De un paso por la carcasa y 2 pasos por los tubos.

De 2 pasos por la carcasa y 4 pasos por los tubos.

La empresa SPX Corp (2008) ha desarrollado un intercambiador de

calor de carcasa y tubos, especialmente para su aplicación en el

procesamiento de alimentos, tales como: zumos y néctares de frutas, jugos

concentrados de frutas, alimentos para bebés (colados y picados), sopas,

salsas, extractos de café, gelatinas, aceites comestibles, yogurt, chocolate,

entre otros alimentos fluidos. Este equipo ha sido fabricado con acero

inoxidable, y es capaz de resistir una presión máxima de 10.000 kPa

(100 bar) y temperaturas de procesamiento entre - 30 °C y 300 °C.

28

Fig. 13. Intercambiador de calor de carcasa y tubos.

Fuente: Çengel, 2007.

29

Intercambiadores de calor de placas. Los intercambiadores de calor de

placas son ampliamente empleados para el calentamiento, el enfriamiento y

la regeneración de calor en la industria de los alimentos (Galeazzo y otros,

2006).

Existen diversos tipos de intercambiadores de calor de placas, tales

como: de placas simples, de placas con juntas o selladores y de placas

soldadas. Sin embargo, en la actualidad, en la industria de los alimentos han

encontrado mayor empleo los intercambiadores de calor de placas con juntas

o selladores (Richardson, 2000).

Intercambiadores de calor de placas simples. Estos consisten en 2

planchas o láminas, generalmente de acero inoxidable o aluminio, sobre las

que se ha formado un circuito. Estas 2 láminas, después de disponerlas

convenientemente, se sueldan, y quedan como una placa única. Los diseños

de los circuitos pueden tomar formas muy diversas, como: zigzag, asurcadas

y punteadas, entre otras; mientras que la placa puede ser geométricamente

plana, plegada en forma de prisma o cilíndrica (Amigo, 2000).

Los intercambiadores de calor de placas simples operan por

inmersión, colocándose dentro del fluido a tratar térmicamente, que puede

ser un líquido o gas. Fundamentalmente, se destinan al enfriamiento de

líquidos contenidos en un depósito o tanque, pero también pueden

emplearse para calentamiento. Estos equipos generalmente se emplean en

la industria enológica, así como en las balsas de agua para acumulación de

hielo, de uso frecuente en la industria láctea (Amigo, 2000).

Intercambiadores de calor de placas con juntas o selladores. Los

intercambiadores de calor de placas con juntas o selladores, consisten en un

conjunto de placas de metal, unidas una contra la otra a presión,

30

encontrándose sostenidas por un bastidor o armazón. Las entradas y salidas

de las placas se sellan mediante juntas de materiales como caucho, silicona,

nitrilo y butilo, entre otros, para evitar la mezcla de los fluidos que circulan por

ellas. Estas juntas, al mismo tiempo, sirven para conducir las corrientes del

fluido calefactor o refrigerante y del producto, haciendo que ambos circulen

por placas alternas (Singh y Heldman, 1998).

Los intercambiadores de calor con juntas exhiben excelentes

propiedades de transferencia de calor entre fluidos, lo cual ha permitido un

diseño muy compacto de estos. Además, el diseño de estos

intercambiadores permite que sean fácilmente desmontados para su

mantenimiento o limpieza y para agregar o quitar placas, con el fin de

modificar la superficie de intercambio de calor entre ellos (Kim y otros, 1999;

Gut y Pinto, 2004).

En la Fig. 14, se muestra un intercambiador de calor de placas con

juntas y se señalan cada una de sus partes.

Habitualmente las placas se construyen, con un espesor del orden de

0,5 a 3,0 mm, y se disponen sobre el bastidor con una distancia entre ellas

que varía entre 1,5 y 5,0 mm. A su vez, el área de las placas puede variar

entre 0,03 y 1,50 m2 (Rodríguez, 1999). Estas placas son acanaladas, en las

que por embutido se han conseguido distintos dibujos geométricos. El dibujo

y el tipo de acanaladura varían de un fabricante a otro, existiendo en el

mercado más de 60 dibujos distintos. Las acanaladuras tienen por objeto

esencial incrementar la turbulencia del flujo y de esta forma aumentar el

coeficiente global de intercambio de calor en el equipo. Las

acanaladuras también marcan el camino que deben recorrer los fluidos,

consiguiendo que se utilice toda la superficie de las placas sin que se

produzcan caminos preferentes, asegurando así una homogeneidad en el

31

Fig. 14. Intercambiador de calor de placas con juntas: 1) bastidor, 2) placa, 3)

conexiones, 4) juntas y 5) guías para las placas.

Fuente: COMEVAL S.L., 2006.

32

tratamiento y un buen aprovechamiento de la superficie de intercambio de

calor (Casp y Abril, 1999).

En la Fig. 15. se muestran placas con distintos tipos de acanaladuras.

Según Gut y Pinto (2004), existen diversos patrones de flujo

posibles para un intercambiador de calor de placas, dependiendo de la

configuración del mismo, lo cual depende del número de canales de paso,

el arreglo que posean los canales de paso, el tipo de canal de flujo y la

localización de la entrada y la salida de los fluidos sobre el bastidor.

Casp y Abril (1999), señalan que cuando cada par de placas

adyacentes forman un canal, los 2 fluidos (producto y fluido térmico) pueden

circular por canales alternativos, haciendo posible que cada placa esté en

contacto con cada fluido por una de sus caras, tal y como se observa en la

Fig. 16. Estos autores señalan también la posibilidad de montar distintas

secciones en un mismo bastidor, en cada una de las cuales se pueden

realizar operaciones distintas como calentamiento, enfriamiento y

recuperación de calor. Esto se puede lograr mediante el empleo de placas de

conexión o separadores, a través de las cuales se introducen y se extraen los

distintos fluidos a cada una de las secciones.

En la Tabla 2 se muestra una comparación entre los intercambiadores

de calor de carcasa y tubos y los de placas con juntas, en cuanto a las

ventajas y limitaciones que poseen para el procesamiento de alimentos.

Las principales aplicaciones de los intercambiadores de calor de

placas con juntas o selladores en el procesamiento de los alimentos, se dan

en:

33

Fig. 15. Tipos de acanaladuras en las placas: a) tabla de lavado, b) zigzag,

c) espina de pescado, chevron o herringbone, d) protrusiones y depresiones,

e) tabla de lavado con corrugaciones secundarias y f) tabla de lavado

oblicua.

Fuente: Shah y Sekulic, 1998.

34

Fig. 16. Flujo por canales alternativos en intercambiador de calor de placas.

Fuente: Casp y Abril, 1999.

35

Tabla 2. Comparación entre los intercambiadores de calor de placas y los

intercambiadores de calor de carcasa y tubos.

INTERCAMBIADORES DE CALOR DE PLACAS CON JUNTAS

Ventajas Limitaciones

Son más económicos.

Ocupan menos espacio.

Consumen menor cantidad de

agua.

Son eficientes en cuanto al

empleo de energía (regeneran

más del 90 % de la energía

utilizada).

Son flexibles en cuanto a la

tasa de procesamiento, ya que

ésta se puede aumentar o

disminuir variando el número de

placas en el equipo.

Las placas pueden ser

fácilmente desmontadas para

las operaciones de inspección,

limpieza y esterilización.

Sólo resisten bajas presiones de

proceso debido a las juntas de

estanqueidad (7 bar ó 700 kPa).

Las velocidades de los fluidos

son relativamente bajas a las

máximas presiones de trabajo

(1,5 a 2,0 m/s).

Las juntas de estanqueidad son

susceptibles a las altas

temperaturas de procesamiento

y deben ser reemplazadas con

regularidad.

Están limitados a líquidos de

baja viscosidad (1,5 N.s/m2 ó

1.500 cp).

Son más propensos al

ensuciamiento.

INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CARCASA Y TUBOS

Ventajas Limitaciones

Pocos sellos y mayor facilidad

de limpieza y mantenimiento de

las condiciones asépticas.

Dificultad para la inspección de

las superficies de intercambio de

calor para la detección de

depósitos de alimentos.

36

Tabla 2 (continuación).

Operación a presiones más

elevadas (7000 a 10.000 kPa) y

mayor flujo másico de los líquidos

(6 m/s).

Flujo turbulento en las paredes de

los tubos debido a los mayores

caudales.

Generan una transferencia de

calor más uniforme y menores

deposiciones de producto.

Limitados a alimentos de

viscosidad relativamente baja

(hasta 1.5 N.s/m2).

Menor flexibilidad a cambios en la

capacidad de producción.

Cualquier incremento en la tasa

de producción requiere la

duplicación del área del equipo.

Fuente: Fellows, 2000.

37

La pasteurización, la ultra-pasteurización y el enfriamiento de la leche

(Roche y Olmo, 2007).

La pasteurización de los zumos de frutas, como el de naranja y el de uva,

entre otros (Ashurst, 1999).

El enfriamiento de aceites comestibles (Amigo, 2000).

El enfriamiento de productos de cervecería (Alfa Laval, 2008).

Alfa Laval (2008), ha manufacturado varios tipos de intercambiadores

de calor de placas con juntas, entre los cuales se encuentran los modelos

Gemini y M-Line. Ambos poseen diseños que permiten su fácil

mantenimiento higiénico. Entre las características de estos intercambiadores

se mencionan las siguientes:

Las placas poseen áreas superficiales que van desde 0,14 hasta 0,62 m2.

Las placas pueden soportar presiones dentro del rango de los 10 bar

(1.000 kPa) hasta los 18 bar (1.800 kPa), y una temperatura máxima de

150 °C.

Las juntas de estanqueidad se elaboran a base de nitrilo o de un polímero

conocido como EPDM, por sus siglas en inglés, que significan Monómero

de Etileno Propileno Dieno.

El marco o bastidor consiste en una placa de presión fija, una placa de

presión móvil, una columna de sostenimiento de las placas, barras guías

superiores e inferiores, cerrojos para las placas y patas ajustables.

Poseen capacidad para procesar de 9.000 a 15.000 l/h de producto,

dependiendo de la temperatura y tiempo de procesamiento necesarios.

Intercambiadores de calor de placas soldadas. Según Amigo (2000),

los intercambiadores de calor de placas soldadas son aquellos en los que las

placas se mantienen selladas entre sí mediante soldadura con cobre. Estos

equipos constituyen un bloque de placas mucho más sencillo en su

estructura que los de placas con juntas descritos en el punto anterior, ya que

38

no necesitan bastidor, ni tornillos de apriete, ni por supuesto juntas de

estanqueidad.

En estos intercambiadores, el paquete de placas comienza y termina

en 2 placas más gruesas que las restantes, en las que se ubican las tomas

para dar entrada y salida a los fluidos. A su vez, permiten operar a

temperaturas y presiones mayores que los intercambiadores de placas con

juntas, con presiones de hasta 40 bar y temperaturas que alcanzan los

350 °C, siendo estos además, muy compactos, potentes y de tamaño muy

reducido para las prestaciones que son capaces de ofrecer. Sin embargo, no

es común el empleo de este tipo de intercambiador de calor para el

procesamiento de alimentos, debido a la dificultad existente para las

operaciones de inspección en busca de depósitos formados entre las placas,

ocupando el primer lugar de preferencia el intercambiador de calor de placas

con juntas, debido a que en este último existe la facilidad de inspección y la

posibilidad de la limpieza y esterilización directa de las placas al

desmontarlas del bastidor que las sostiene (Amigo, 2000).

Intercambiadores de calor directos.

Según Lewis y Heppell (2000), en los intercambiadores de calor

directos o sistemas de intercambio directo de calor, el producto es calentado

a temperatura de esterilización, mezclándolo con vapor de agua. Uno de los

principios básicos del procesamiento mediante estos equipos es que parte

del vapor de agua empleado se condensa, cediendo su calor latente de

vaporización al producto, generando así, una tasa de calentamiento mucho

más rápida que la que podría permitir cualquier intercambiador de calor

indirecto. El vapor puede ser inyectado en el producto mediante un

“intercambiador de calor por inyección de vapor”, o se puede bombear el

producto a una cámara con vapor en forma de cortina (“spray”), a través de

un “intercambiador de calor por infusión de vapor”. Así mismo, los

39

intercambiadores de calor tanto de infusión como de inyección de vapor

operan integrados a sistemas que comprenden por lo general una serie de

etapas o procesos básicos que se efectúan según los requerimientos del

producto, entre los cuales se encuentran:

1. Proceso de precalentamiento.

2. Proceso de calentamiento.

3. Proceso de retención (en inglés, Holding).

4. Proceso de evaporación del agua excedente al vacío.

5. Proceso de regeneración o enfriamiento.

Considerando los procesos señalados anteriormente, otro principio

básico de los sistemas de calentamiento directo de productos alimenticios,

consiste en hacer pasar el producto alimenticio líquido de un tanque o

depósito de balance hacia una fase de precalentamiento, usualmente en un

intercambiador de calor de placas a temperaturas entre 70 y 80 °C (para un

procesamiento posterior a UHT). Seguidamente, el producto se hace pasar a

través de la bomba principal hacia el intercambiador de calor por inyección o

infusión de vapor. Luego de retener el producto en calentamiento durante el

tiempo requerido, se hace pasar a través de una válvula reductora hacia una

fase de evaporación del agua excedente en la fase anterior. La evaporación

del agua se lleva a cabo en una cámara donde se mantiene el producto a

una presión específica, correspondiente a la temperatura del mismo en la

fase de precalentamiento. De esta forma, el producto hierve

instantáneamente liberando el exceso de fluido y regresa a la temperatura

que poseía inicialmente en la fase de precalentamiento antes de la infusión o

inyección del vapor (Richardson, 2000).

La eliminación del agua excedente en el alimento, como se indicó

anteriormente, se lleva a cabo en una cámara de vacío, en la que se reduce

la presión para que el alimento, que se encuentra como líquido saturado, es

40

decir, a su temperatura y presión de saturación, libere mediante evaporación

el agua incorporada durante el calentamiento (Singh y Heldman, 1998).

Finalmente, el producto puede ser homogeneizado en caso de

requerirlo (Ej. la leche) y en una última fase es enfriado a temperatura

ambiente o de refrigeración mediante un intercambiador de calor indirecto,

usualmente un intercambiador de calor de placas o tubular (Richardson,

2000).

En la Fig. 17, se muestra un diagrama de proceso de esterilización de

leche mediante un sistema integrado de calentamiento directo del producto.

En las instalaciones que comprenden los sistemas de intercambio

directo de calor (capaces de procesar 9000 kg/h de producto), la

temperatura, las presión, el nivel, el flujo de producto, el funcionamiento de la

válvula de desviación de flujo y la secuencia de las operaciones de limpieza,

son controlados por un microordenador (Fellows, 2000).

Los intercambiadores de calor por infusión de vapor al igual que los

intercambiadores de calor por inyección de vapor empleados para el

procesamiento de alimentos son fabricados con acero inoxidable. Aun así,

ambos tipos de intercambiadores difieren en determinadas propiedades y por

ende son considerados separadamente (Lewis y Heppell, 2000).

Intercambiadores de calor por inyección de vapor. En los

intercambiadores de calor por inyección de vapor el producto a calentar,

generalmente, se alimenta por un tubo por la parte superior del

intercambiador y el vapor se alimenta por un tubo adyacente haciendo

contacto con las gotas de producto, como se muestra en la Fig. 18, que van

cayendo en forma de película. Como marco de referencia de las presiones y

41

Fig. 17. Diagrama del proceso de esterilización de leche mediante un sistema

integrado de calentamiento directo del producto.

Fuente: Lewis y Heppell, 2000.

42

Fig. 18. Calentamiento de un producto en un intercambiador de calor por

inyección de vapor.

Fuente: Singh y Heldman, 1998.

43

temperaturas del proceso, el vapor se inyecta a una presión de 965 kPa en

un producto líquido que ha sido precalentado a 76 °C, para elevar su

temperatura hasta 150 °C. Después de permanecer el alimento a esta

temperatura durante el tiempo necesario (2,5 s), se enfría por evaporación

hasta 76 °C, en una cámara a vacío relativo (Fellows, 1994).

Según Lewis y Heppell (2000), existen diversos diseños de

intercambiadores de calor por inyección de vapor o inyectores de vapor,

desarrollados y usados por distintos manufactureros, pero todos ellos tienden

a poseer los requerimientos de bajo costo y mínimas complicaciones de uso.

Existen 3 diseños típicos de intercambiadores de calor por inyección de

vapor, que se describen a continuación:

En el primer diseño, el tubo por el que fluye el producto posee la forma de

un difusor. En este equipo, el vapor se inyecta a través de 4 tubos que

rodean al tubo del producto. Una serie de orificios a lo largo de las líneas

de contacto del tubo que transporta el vapor con el tubo que transporta el

producto, permiten que el vapor entre en el alimento en forma de

pequeñas burbujas. Algunos de los orificios son elaborados radialmente y

otros en un ángulo que permite que se produzca mayor turbulencia en el

producto con el fin de incrementar la tasa de condensación.

En el segundo diseño, los tubos que transportan el vapor y el producto se

unen formando un cono. En este equipo el vapor es inyectado en un

ángulo cerrado a través del tubo por el que fluye el producto. El sitio

de unión entre el producto y el vapor posee forma cónica, lo cual

conduce a un mezclado y una condensación rápida del vapor.

En el tercer diseño, el producto pasa a través de un difusor y el vapor es

inyectado en la sección de expansión del difusor, donde la presión del

producto aumenta. El vapor es inyectado en un área delgada alrededor

del producto. Una segunda sección de difusión causa una caída de la

44

presión, seguida de un aumento de la misma dentro del inyector

generando la condensación y la difusión.

En la Fig. 19. se muestran los 3 diseños típicos de un intercambiador

de calor por inyección de vapor, antes mencionados.

Spirax Sarco Limited (2008), ha diseñado y ofrecido al mercado

intercambiadores de calor por inyección de vapor, parecidos a difusores,

como el descrito anteriormente, con las siguientes características:

Fabricados totalmente con acero inoxidable.

Diseño compacto, minimizando el ruido y la vibración.

Permiten el calentamiento eficiente del agua y otros fluidos.

Diversos tamaños, según el modelo:

o Modelo IN25M, diámetro nominal: 25 mm.

o Modelo IN40M, diámetro nominal: 40 mm.

Presión mínima y máxima de vapor saturado en el inyector de 0,5 a

17 bar, respectivamente.

Capacidad mínima de inyección de vapor saturado de 75 kg/h (en el

modelo IN25M) y 222 kg/h (en el modelo IN40M), a una presión de

0,5 bar.

Capacidad máxima de inyección de vapor saturado 1225 kg/h (en el

modelo IN25M) y 3200 kg/h (en el modelo IN40M), a una presión de

17 bar.

Temperatura máxima de trabajo 207 °C a 17 bar.

En la Fig. 20, se muestra el modelo de intercambiador de calor por

inyección de vapor diseñado y comercializado por Spirax Sarco Limited, con

las corrientes de entrada y salida del producto y vapor de agua.

45

Fig. 19. Diseños típicos de intercambiadores de calor por inyección de vapor:

a) primer diseño, b) segundo diseño y c) tercer diseño.

Fuente: Lewis y Heppell, 2000.

46

Fig. 20. Modelo de intercambiador de calor por inyección de vapor diseñado y

comercializado por Spirax Sarco Limited.

Fuente: Spirax Sarco Limited, 2008.

47

Según Richardson (2000), los sistemas que emplean intercambiadores

de calor por inyección de vapor son convenientes para el procesamiento de

productos líquidos con baja viscosidad, como la leche y los jugos de frutas. A

su vez, Singh y Heldman (1998), señalan que estos intercambiadores pueden

ser empleados en la cocción y/o la esterilización de concentrados de sopa,

chocolate, queso fundido, mezclas de helado y cremas pasteleras, entre

otros.

Intercambiadores de calor por infusión de vapor. Según Fellows

(2000), en los intercambiadores de calor por infusión de vapor el alimento

precalentado es rociado a través de orificios y cae en forma de fina película

a un recipiente que contiene vapor a elevada presión (450 kPa). En este

recipiente el producto se calienta en 0,3 s a temperaturas entre 142 y

146 °C y se mantiene a la temperatura deseada durante 3 s en un tubo

o sección de mantenimiento, evaporándose el vapor condensado

seguidamente en una cámara a vacío relativo hasta alcanzar una

temperatura entre 65 y 70 °C.

Según Richardson (2000), los intercambiadores de calor por infusión

de vapor fueron diseñados para procesar los mismos alimentos que pueden

ser tratados con los intercambiadores de calor por inyección de vapor, con la

diferencia de que en los primeros el tratamiento térmico es más delicado con

el producto. A su vez, en estos intercambiadores la cámara de vapor del

intercambiador es usualmente un recipiente con una base de forma cónica a

través de la cual el producto calentado pasa hacia el tubo de mantenimiento,

tal y como se muestra en la Fig. 21.

Es preciso tener en cuenta la calidad del vapor de agua en el

procesamiento por intercambio directo de calor. Esta agua debe ser potable,

libre de sustancias volátiles, aceites, suciedad o cualquier otro elemento que

48

Fig. 21. Intercambiador de calor por infusión de vapor.

Fuente: Sharma y otros, 2003.

49

pueda afectar una característica sensorial en particular, las características

sensoriales del producto o su inocuidad (Lewis y Heppell, 2000).

La corporación estadounidense SPX ha desarrollado y comercializado

sistemas de intercambio directo de calor por infusión de vapor en alimentos.

Estos sistemas poseen capacidades de procesamiento en el rango de los

1.000 hasta los 35.000 l/h, y ofrecen calentamiento instantáneo y delicado de

producto, asegurando tiempo de mantenimiento adecuado y rápido

enfriamiento. Entre los productos que se pueden procesar en este sistema se

encuentran: leche, crema de leche, productos de la leche de soya, queso

fundido y mezcla de helado entre otros (SPX Corp, 2008).

Existen algunas ventajas y limitaciones en el empleo de los

intercambiadores de calor directos en el procesamiento de alimentos, las

cuales se mencionan en la Tabla 3.

50

Tabla 3. Ventajas y limitaciones del uso de intercambiadores de calor

directos.

INTERCAMBIADORES DE CALOR DIRECTOS

INTERCAMBIADORES DE CALOR POR INYECCIÓN DE VAPOR

Ventajas. Limitaciones.

Proporcionan un calentamiento

instantáneo.

Se adaptan a alimentos

sensibles al calor.

Permiten la desodorización de

algunos alimentos como la

leche.

Solamente se adaptan a alimentos

de baja viscosidad relativa (hasta

1.5 N.m/s2).

Proporcionan relativamente poco

control sobre las condiciones de

procesamiento.

Requieren de vapor de agua

potable, lo que resulta más costoso

que el vapor usado para el

calentamiento indirecto.

La regeneración de la energía es

menor al 50 %, comparada con un

90 % en los intercambiadores de

calor indirectos.

La flexibilidad para trabajar con

diferentes productos es baja.

INTERCAMBIADORES DE CALOR POR INFUSIÓN DE VAPOR

Ventajas. Limitaciones.

Proporcionan un calentamiento

instantáneo del alimento a la

temperatura del vapor.

Permiten una elevada retención

Solamente se adaptan a alimentos

de baja viscosidad.

Proporcionan poco control

sobre las condiciones de

51

Tabla 3 (continuación).

de las propiedades sensoriales y

nutricionales del alimento.

Proporcionan mayor control sobre

las condiciones de procesamiento

que los intercambiadores de calor

por inyección de vapor.

Son más efectivos que los

intercambiadores de calor por

inyección de vapor al emplearlos

en el calentamiento de alimentos

ligeramente más viscosos.

Generan menor riesgo de

sobrecalentamiento en los

productos que los

intercambiadores de calor por

inyección de vapor.

procesamiento.

Requieren de vapor de agua

potable, lo que resulta más

costoso que el vapor usado para

el calentamiento indirecto.

La regeneración de la energía es

menor al 50 %, comparada con

un 90 % en los intercambiadores

de calor indirectos.

Proporcionan poca flexibilidad

para trabajar con diferentes

productos alimenticios.

Los inyectores del alimento

tienden a bloquearse con

facilidad.

Pueden producir la separación de

componentes en los alimentos.

Fuente: Lewis y Heppell, 2000.

52

APLICACIONES DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR EN LA

INDUSTRIA DE ALIMENTOS

La pasteurización es un tratamiento térmico relativamente suave,

donde se aplican temperaturas generalmente inferiores a 100 °C, que se

utiliza para prolongar la vida útil de los alimentos durante varios días (Ej. la

leche) o varios meses (Ej. frutas envasadas). Por otra parte, la esterilización

es aquella operación unitaria en la que los alimentos son calentados a una

temperatura suficientemente elevada, entre 121 y 138 °C, y durante un

tiempo prolongado, como para eliminar en ellos la actividad microbiana y

enzimática presente. Estos tratamientos se pueden realizar en productos

previamente envasados o en líquidos a granel, que posteriormente serán

sometidos a un envasado adecuado para su preservación. Cuando se

quieren aplicar tratamientos térmicos a alimentos líquidos, por lo general se

emplean intercambiadores de calor indirectos, siendo mayormente utilizados

los intercambiadores de calor de placas, los tubulares y los de superficies

rascadas (Fellows, 1994).

Aunque muchos de los intercambiadores de calor se pueden emplear

para aplicar un tratamiento de pasteurización (principalmente HTST, siglas

en inglés de “altas temperaturas y cortos tiempos”) de la leche, actualmente

se utiliza de forma universal el intercambiador de calor de placas con juntas.

En este equipo, la leche y el medio calefactor se distribuyen en capas finas

de gran área superficial, por las caras opuestas de cada placa. Las placas se

agrupan en secciones para el calentamiento, el enfriamiento y en la mayor

parte para la regeneración o recuperación (Varnam y Sutherland, 1995). La

leche, que entra en el intercambiador de calor a una temperatura de 4 °C

aproximadamente, se precalienta en la sección de regeneración, en donde el

intercambio de calor se produce entre la leche fría que se introduce y la leche

ya pasteurizada que sale del equipo. La leche precalentada pasa a la sección

53

de calentamiento (pasteurización), donde alcanza una temperatura entre 72 y

75 °C. La leche se mantiene a esa temperatura durante aproximadamente

15 s en el tubo de retención o de mantenimiento y pasa a través de una

válvula de desviación de flujo antes de volver a la sección de recuperación,

para ceder su calor a la leche que está entrando en el intercambiador. La

válvula de desviación de flujo, se activa cuando la leche no ha alcanzado la

temperatura requerida en el tratamiento y la desvía, haciéndola regresar al

tanque de leche cruda que alimenta al intercambiador de calor. Después de

circular por la sección de regeneración, la leche pasteurizada ya preenfriada

pasa por la sección de enfriamiento, donde se enfría a una temperatura igual

o inferior a 4 °C y sale del equipo para ingresar inmediatamente a la máquina

llenadora-envasadora (Early, 2000).

Otros productos alimenticios que reciben tratamientos industriales de

pasteurización HTST mediante intercambiadores de calor de placas son los

zumos de frutas, en cuyo caso el equipo se divide en 4 secciones, al igual

que en el caso del proceso de pasteurización de la leche (Ashurst, 1999).

Según Varnam y Sutherland (1995), el proceso de esterilización

industrial de la leche, también llamado tratamiento UHT, generalmente se

realiza mediante sistemas de calentamiento directo. Para ello, la leche cruda

que se va a esterilizar se precalienta en un intercambiador de calor de placas

hasta alcanzar una temperatura entre 70 y 80 °C. Básicamente se emplean 2

sistemas de esterilización UHT: el sistema de inyección de vapor en leche y

el sistema de infusión de leche en vapor. La planta de Uperización® APV se

suele utilizar como ejemplo de un sistema UHT por inyección de vapor, en

donde el equipo utiliza un inyector especialmente diseñado para producir una

gran turbulencia en la corriente de leche. Entre los sistemas de infusión se

incluye el de Pasilac®, en el que pequeñas gotas de leche se mezclan con el

vapor, y el sistema DaSi®, en el que la leche cae en forma de finas películas

54

en una atmósfera de vapor. La leche esterilizada, por cualquiera de los

sistemas anteriormente mencionados, pasa a un tubo de mantenimiento y a

continuación a una cámara de vacío, también conocida como válvula de

expansión. En esta etapa la temperatura de la leche desciende rápidamente

y la pérdida de energía resultante produce la evaporación del agua y otros

compuestos volátiles. Este proceso de enfriamiento instantáneo, posee 3

objetivos tecnológicos:

Enfriar muy rápidamente la leche para que su alteración térmica sea

mínima.

Eliminar el agua incorporada en la inyección de vapor para que la leche

conserve su composición original.

Extraer los compuestos de bajo peso molecular que tienen un efecto

negativo en la calidad organoléptica del producto.

En la industria de alimentos a menudo es deseable la acción

simultánea del mezclado que tiene lugar en los intercambiadores de calor de

superficie rascada, ya que esto favorece la homogeneidad del aroma, el

color, la textura y otras características de los productos. El empleo de estos

equipos en la industria se extiende a procesos de calentamiento,

esterilización, pasteurización, batido, gelificación, emulsificación y

cristalización, entre otros. Así mismo, en estos equipos pueden procesarse

alimentos fluidos de muy variadas viscosidades, como zumos, sopas,

concentrados de frutas, mantequilla, puré de tomate, crema pastelera y

mezclas de helados, entre otros productos (Singh y Heldman, 1998).

De igual manera, la aplicación industrial de las técnicas de

modificación de las grasas, especialmente la cristalización fraccionada, ha

permitido la obtención de una mantequilla más fácilmente extensible por

mezclado de una fracción dura con una fracción blanda. La tecnología

utilizada consiste en la mezcla de las fracciones, la refrigeración en un

55

intercambiador de calor de superficie rascada y la texturización. A su vez, en

la fabricación de margarina existe una amplia utilización del intercambiador

de calor de superficie rascada, donde el proceso inicia con la preparación por

separado de 2 fases o mezclas: por un lado, se mezclan las grasas y el

aceite y se añade el emulsionante, y por otra parte, se prepara una leche a

partir de agua y una fuente proteica en polvo y se incorporan otros

ingredientes solubles en agua como la sal y los conservantes. A

continuación, las 2 fases se introducen en la unidad de emulsificación a

45 °C y se mezclan en condiciones de agitación vigorosa. Generalmente, en

esta etapa del proceso se añade una mezcla previamente preparada de

aromatizantes, vitaminas y colorante, luego la emulsión se enfría

inmediatamente en un intercambiador de calor de superficie rascada para

iniciar la cristalización. El refrigerante empleado en este caso puede ser

amoníaco ó freón 12, ya que se requieren temperaturas entre -20 y -10 °C, y

en el referido equipo, el rotor hace girar las paletas o cuchillas del

intercambiador a una velocidad promedio de 500 rpm. Las elevadas

presiones internas y las fuerzas de cizalla que se generan, favorecen la

dispersión de la fase acuosa en forma de pequeñas gotas e inducen la

nucleación y la cristalización de la grasa durante los 10 a 20 s que

permanece en el cilindro. Finalmente, el producto sale del equipo como una

emulsión sobreenfriada (Varnam y Sutherland, 1995).

Así mismo, en la industria de los helados, después del tratamiento

térmico de la mezcla de ingredientes, ésta debe refrigerarse lo más

rápidamente posible hasta una temperatura de 4 °C. La mezcla se mantiene

a 4 °C para su maduración, proceso que consiste en la hidratación de las

proteínas de la leche, la cristalización de las grasas y la absorción de agua

por parte de los hidrocoloides añadidos. La refrigeración de la mezcla, hasta

1 ó 2 °C en un intercambiador de calor de superficie rascada, permite

tiempos de maduración más cortos (Varnam y Sutherland, 1995).

56

Un tipo de intercambiador de calor que también resulta de gran

relevancia en la industria de alimentos lo constituye los intercambiadores de

calor de tubos con aletas. Estos representan una de las principales partes de

los sistemas de refrigeración por compresión mecánica de gases

refrigerantes, que a su vez forman parte de unidades de refrigeración o

congelación por convección forzada de aire. En estos equipos el aire

propulsado por un ventilador se enfría al pasar por el intercambiador de calor

de tubos con aletas (evaporador) por el que circula un gas refrigerante en un

ciclo de compresión de gases, donde la temperatura del aire enfriado puede

alcanzar hasta -40 °C. En la industria de alimentos se pueden encontrar

refrigeradores y congeladores por convección forzada de aire con diversas

capacidades, los cuales se emplean en la refrigeración de vegetales frescos

como frutas y hortalizas, así como en la congelación de carnes de aves,

pescados, bovino y porcino, entre otros (Barreiro y Sandoval, 2006).

57

ENSUCIAMIENTO EN LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR

El ensuciamiento o formación de depósitos, también llamado

incrustación, en los intercambiadores de calor, es un asunto muy común y

complejo en las industrias de procesamiento de alimentos, así como en otras

industrias donde se llevan a cabo operaciones de transferencia de calor entre

fluidos (Jun y Puri, 2004).

Según HRS Spiratube, S.L. (2008), los mecanismos por los cuales se

produce el ensuciamiento varían con la aplicación, pero pueden ser

ampliamente clasificados en 4 tipos claramente identificables:

Ensuciamiento químico: en el que cambios químicos en el fluido causan

que se deposite una capa de impurezas sobre la superficie interna o

externa de los tubos. Un ejemplo común de este fenómeno es la

expansión en una olla o caldera causada por el depósito de sales de

calcio en los elementos de calentamiento, conforme la solubilidad de las

sales disminuye al aumentar la temperatura. Este tipo de ensuciamiento

está fuera del control del diseñador de intercambiadores de calor, pero

puede ser minimizado controlando cuidadosamente la temperatura del

tubo en contacto con el fluido. Cuando se presenta este tipo de

ensuciamiento normalmente es eliminado mediante tratamiento químico o

procesos mecánicos (cepillos de acero, taladros o incluso pistolas de

agua a alta presión en algunos casos).

Ensuciamiento biológico: causado por el crecimiento de microorganismos

en el fluido que se depositan en la superficie. Este tipo de ensuciamiento,

también está fuera del control del diseñador del intercambiador pero

puede verse influido por la elección de los materiales de construcción ya

que algunos, como los latones no ferrosos, son venenosos para algunos

organismos. Cuando se presenta este tipo de ensuciamiento

58

normalmente es eliminado mediante tratamiento químico o procesos

mecánicos abrasivos.

Ensuciamiento por depósitos: en el que las partículas en el fluido se

acumulan en la superficie del equipo cuando la velocidad de

procesamiento cae por debajo de cierto nivel crítico. Esto está en gran

medida bajo el control del diseñador, ya que la velocidad crítica de

cualquier combinación fluido/partícula puede ser calculada para permitir

un diseño en el que la velocidad mínima del fluido sea siempre mayor que

la crítica. Cuando se presenta este tipo de ensuciamiento normalmente es

eliminado mediante procesos de cepillado mecánico.

Ensuciamiento por corrosión: en el que una capa producto de la corrosión

se acumula en la superficie del tubo, formando una capa adicional,

normalmente de material con un alto nivel de resistencia térmica.

Mediante la elección adecuada de los materiales de construcción, los

efectos pueden ser minimizados ya que existe a disposición del fabricante

de intercambiadores un amplio rango de materiales resistentes a la

corrosión, basados en acero inoxidable.

El ensuciamiento de los intercambiadores de calor en el

procesamiento de los alimentos consiste principalmente en la formación de

una capa de depósitos o agregados de proteínas (sobre todo de la leche y

los derivados lácteos), sales minerales, ácidos orgánicos y azúcares, entre

otras sustancias orgánicas e inorgánicas procedentes de los alimentos y, en

el caso de las sales minerales, del agua (Fryer y Belmar-Beiny, 1991).

Según Amigo (2000), las principales sales minerales, causantes de

ensuciamiento en los intercambiadores de calor, que se encuentran disueltas

en el agua son:

Carbonato de calcio (CaCO3).

Bicarbonato de calcio (Ca [HCO3]2).

59

Carbonato de magnesio (MgCO3).

Bicarbonato de magnesio (Mg [HCO3]2).

Sulfato de calcio (CaSO4).

Sulfato de magnesio (MgSO4).

Silicato de calcio (CaSiO3).

Silicato de magnesio (MgSiO3).

Cloruro de calcio (CaCl2).

Cloruro de magnesio (MgCl2).

Jun y Puri (2004), señalan que el ensuciamiento posee un profundo

efecto en la frecuencia de limpieza de los intercambiadores de calor y el

tiempo necesario para retornar a condiciones satisfactorias de procesamiento

de alimentos. En consecuencia, el ensuciamiento representa un costo mayor

en función de capital, energía, trabajo y recursos materiales para al sector

agroindustrial.

El rendimiento de los intercambiadores de calor suele disminuir con el

paso del tiempo como resultado de la acumulación de depósitos sobre las

superficies de transferencia de calor, ya que esto representa una resistencia

térmica adicional, y es por ello que el ensuciamiento debe considerarse

durante el diseño y la selección de los intercambiadores de calor. En algunos

casos, puede que sea necesario seleccionar un intercambiador de calor más

grande y, por ende, más caro, para garantizar que satisfaga los requisitos de

transferencia de calor, incluso después de que ocurra el ensuciamiento

(Çengel, 2007).

60

CONCLUSIONES

Los intercambiadores de calor poseen diversas clasificaciones, siendo

más aceptada la clasificación según el tipo de contacto que realizan con

el producto que calientan o enfrían.

Los intercambiadores de calor de tubos coaxiales, los de placas y los

directos, son empleados para calentar o enfriar alimentos de baja

viscosidad relativa, mientras que los intercambiadores de calor de

carcasa y tubos y los de superficie rascada son, por lo general,

mayormente empleados para procesar fluidos con viscosidades

relativamente mayores.

El material de fabricación de los intercambiadores de calor es

principalmente el acero inoxidable, sin embargo, los intercambiadores de

calor de tubos con aletas pueden ser también de materiales como cobre o

aluminio.

En los intercambiadores de calor de tubos concéntricos, de superficie

rascada y de placas, los fluidos se transportan básicamente en paralelo,

con flujo en contracorriente, mientras que en los intercambiadores de

calor de carcasa y tubos y en los de tubos con aletas la dirección de flujo

generalmente es cruzada.

Los intercambiadores de calor se emplean por lo general para efectuar

operaciones de pasteurización, ultra pasteurización, esterilización o

enfriamiento de alimentos de baja viscosidad como leche, zumos y

néctares de frutas, productos de cervecería, vinos, sopas y aceites

comestibles, entre otros, sin embargo, también se emplean para procesar

alimentos de viscosidades más elevadas, tales como salsa de tomate,

jarabes de caramelo o chocolate, mezclas de helado, mostaza, jalea de

maní, jugos concentrados, gelatinas, purés de vegetales y queso crema,

entre otros.

61

El ensuciamiento de los intercambiadores de calor en la industria de los

alimentos es un hecho común debido a la adherencia en el equipo de

componentes provenientes del medio calefactor o refrigerante, o del

propio alimento, que tienden a generar problemas de rendimiento del

intercambiador, lo cual pudiera traer como consecuencia un aumento en

los costos de fabricación de los productos.

62

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