Los intercambiadores de calor son dispositivos esenciales en una amplia gama de industrias, incluyendo la química, farmacéutica, de procesamiento de alimentos, de energía, y en sistemas de calefacción y refrigeración. Su función principal es transferir calor entre dos fluidos a diferentes temperaturas que no se mezclan. Entre los diversos tipos, el intercambiador de calor de vasija con serpentín destaca por su versatilidad y eficiencia en aplicaciones específicas.
¿Qué es un Intercambiador de Calor de Vasija con Serpentín?
El Intercambiador de Calor de Vasija con Serpentín, como el "TIVSB" diseñado por EDIBON, proporciona un entorno completo para el estudio detallado de la transferencia de calor entre dos fluidos que no se mezclan. En este equipo, el agua caliente circula a través de un serpentín, transfiriendo calor al agua fría que está contenida en la vasija. De esta manera, el fluido caliente calienta el agua que está contenida en la vasija, permitiendo que el calor se transmita de un fluido a otro.
Estos intercambiadores son comúnmente empleados para calentar o enfriar líquidos contenidos en tanques o recipientes, facilitando la transferencia de calor entre el líquido contenido en la vasija y el fluido que circula por el serpentín. El Intercambiador de Calor de Vasija con Serpentín permite analizar la variación en la transferencia de calor en diferentes condiciones, como cambios en el caudal, la temperatura y el tipo de flujo. Con un diseño optimizado para una transferencia de calor eficiente, este intercambiador proporciona una herramienta efectiva para el análisis y la experimentación en intercambio de calor.
Además, facilita la medición de la temperatura entre el serpentín y la vasija, lo cual es esencial para garantizar un intercambio térmico eficiente y detectar posibles problemas, facilitando el monitoreo de la eficiencia del intercambiador y la optimización del diseño. Estas mediciones detalladas permiten ajustar el funcionamiento del intercambiador para mejorar su rendimiento y asegurar un flujo de calor adecuado entre los fluidos que circulan a través de él.
Aplicaciones en la Industria Panadera: El Caso del Serpentín Evaporador
En el contexto de la industria panadera y, más específicamente, en la producción de panela (un tipo de azúcar sin refinar), los serpentines evaporadores desempeñan un papel crucial. Un estudio realizado por Álvaro Restrepo, Luís C. Flórez y Juan E. Tibaquirá de la Universidad Tecnológica de Pereira, Colombia, se centró en el diseño, la simulación y la construcción de un serpentín evaporador para la industria panelera a baja escala en Colombia.
El propósito de este diseño fue mejorar la geometría del serpentín existente para disminuir el tiempo de evaporación del jugo de caña y, consecuentemente, el uso de combustible en el proceso. El modelo de transferencia de calor consideró correlaciones para obtener el coeficiente de transferencia de calor del jugo. Adicionalmente, se incluyeron aspectos relacionados con el área mínima de intercambio, el número de tubos y los pasos del serpentín.
La simulación permitió, a partir del campo de temperaturas, identificar la geometría más adecuada para la construcción del mismo, evitando puntos fríos y de condensación. Los resultados experimentales y de simulación indicaron un menor tiempo de evaporación con presiones de vapor inferiores a las que opera el sistema original, lo que se ve reflejado en la disminución del consumo de bagazo durante la generación de vapor.
Proceso de Producción de Panela y el Rol del Serpentín
El proceso de producción de panela involucra varias etapas:
- Apronte: Operaciones de corte, carga, transporte y almacenamiento de la caña.
- Extracción del jugo: La caña se somete a compresión en los molinos. Una buena extracción implica obtener entre 580 y 630 kg de jugo por tonelada de caña molida. Los productos obtenidos son jugo crudo y bagazo (usado como combustible). El jugo crudo presenta alrededor de 13 °Bx.
- Clarificación: Eliminación de sólidos en suspensión e impurezas. Parte del agua se evapora, aumentando los sólidos en suspensión hasta unos 15 °Bx.
- Evaporación: Esta etapa es de particular interés en este manuscrito y finaliza cuando la miel alcanza alrededor de 60 °Bx. El proceso de evaporación estudiado en el artículo es abierto y se realiza mediante un intercambiador de calor de parrilla inmerso en una alberca abierta para ebullición a presión atmosférica, empleando vapor como fuente de energía.
- Tachos paneleros: La concentración de sólidos llega hasta 93 °Bx, punto en el cual la melaza presenta la consistencia adecuada para moldear la panela.
Balance de materia simple en la evaporación de jugo de caña.
Modelo de Transferencia de Calor para el Serpentín Evaporador
El modelo de transferencia de calor incluye el principio de conservación de la energía para el volumen de control correspondiente al proceso de evaporación y emplea el método de la diferencia de temperatura media logarítmica para estimar el área de intercambio necesaria durante el proceso.
Desde el punto de vista termodinámico, se identifica el requerimiento energético del proceso y, desde el punto de vista de transferencia de calor, se estima el área de intercambio para el proceso de evaporación en la producción de panela, concentrando sólidos desde 15 hasta 60 °Bx en un evaporador tipo abierto, empleando vapor como fuente de energía.
Cálculo de la Cantidad de Agua a Evaporar y Calor Latente
La cantidad de agua a evaporar durante el proceso puede ser estimada mediante la diferencia entre la masa de agua que entra con el jugo de caña y el agua presente en la miel una vez se alcanzan los 60 °Bx. Donde msólidos representa la masa de sólidos diluidos en el jugo de caña y ms;miel indica la cantidad de miel que sale del proceso de evaporación, incluyendo sólidos y agua.
Una vez identificada la cantidad de agua a evaporar, es posible determinar la cantidad de calor latente necesario para el proceso. Dado que el proceso no se realiza a nivel del mar, para el cálculo se considera que la presión atmosférica corresponde con la presión atmosférica local (91,450 Pa), y por lo tanto, la entalpía de vaporización (hfg) para el agua presente en el jugo de caña es de 2,265 kJ/kg. El calor latente total se estima mediante una ecuación específica de balance energético.
Balance de Energía y Coeficientes de Transferencia de Calor
El balance de energía para el proceso de evaporación en alberca abierta considera el calor latente (Qlatente), la energía que sale con la miel (Esaliendo) y la energía que entra al proceso (Eentrando), así como la energía disipada al ambiente por transferencia de calor (Eperdida).
Para el caso del serpentín de intercambio, la resistencia global de transferencia de calor básicamente corresponde a la suma de las resistencias por convección al interior de la tubería, la resistencia por conductividad térmica debida al material de la tubería y a la convección en la parte externa de la misma. Para la presión preestablecida para el proceso, la tubería considerada para los cálculos es de acero inoxidable cédula 10.
Los coeficientes de transferencia de calor, tanto para el lado del vapor (hconv,vapor) como para el jugo de caña en ebullición (hconv,jugo caña), son cruciales. El coeficiente de convección para el jugo de caña en ebullición en alberca se estima mediante correlaciones empíricas. Para el cálculo del área de intercambio se propone una configuración de flujo cruzado.
Simulación Numérica y Optimización de la Geometría
La simulación del sistema se realizó para operación en estado estable, pero durante la misma, los cálculos se realizaron dependientes del tiempo para analizar la evolución del campo de temperatura en el serpentín y en el jugo de caña.
La configuración clásica tipo parrilla mostró puntos fríos dada la preferencia de flujo del vapor al interior del serpentín. Como resultado de la geometría del mismo y de las fuerzas inerciales propias del vapor al interior de la tubería, la geometría propuesta a partir del área de intercambio obtenida mediante el modelo de transferencia de calor mostró una distribución homogénea del calor, logrando así una ebullición uniforme.
Los resultados indicaron una reducción del tiempo durante el proceso de evaporación, una presión de operación inferior a la empleada por la parrilla clásica y un mejor uso del bagazo como combustible.
Otros Tipos de Intercambiadores de Calor de EDIBON
Además del intercambiador de calor de vasija con serpentín, EDIBON diseña otros tipos de intercambiadores de calor para fines educativos y de investigación:
- Intercambiador de Calor de Placas: Permite el estudio de la transferencia de calor entre el agua caliente y el agua fría que circulan por canales alternos formados entre placas paralelas.
- Intercambiador de Calor de Carcasa y Tubo: Ofrece un entorno completo para el estudio de la transferencia de calor.
- Intercambiador de Calor de Vasija Encamisada: Proporciona un entorno completo para el estudio detallado de la transferencia de calor entre dos fluidos que no se mezclan.
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