articulo diseño pasterizador

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  Abreviaturas: HTST, Pasteurizador continuo alta temperatura corto tiempo;  PID, Proporcional Integrativo Derivativo.  Correspondencia autor:  [email protected].  Diseño y Construcción de un Intercambiador de Calor (Prototipo) de Flujo Continúo HTST utilizando Gas Natural para el Estudio del Procesamiento de Leche Olga Martínez 1* , Jhon Morales 1 , Oscar Quintero 1 , Luis Porras 1 . 1  Facultad de Química Farmacéutica, Departamento de Alimentos, Universidad de Antioquia. Calle 67 N° 53-108 Of. 2-103, Medellín-Colombia. RESUMEN El presente estudio desarrolla un prototipo intercambiador térmico de placas de alta temperatura y corto tiempo (HTST)  para leche, utilizando gas natural como energía alternativa respecto al vapor de agua. Los datos técnicos industriales y normativos fueron recopilados, el diseño y escalado dimensional fue realizado mediante cálculos iterativos y ecuaciones de propiedades físicas. Los tiempos de residencia fueron establecidos por mecánica de fluidos para transporte de leche y agua, con caudal de 150l/h. Los suministros calculados y obtenidos experimentalmente fueron: 247l/h agua (78°C), 1115l/h agua (1°C), gas natural (4.8Kw a 20mbar), aire comprimido (40PSI), conexión eléctrica 110V para bombas y sistema electrónico de control diseñado con dos procesadores Proporcional Integrativo Derivativo (PID) . El parámetro de pasterización se determinó aplicando la AOAC 991.24 para fosfatasa alcalina y ausencia de  peroxidasa. Basado en los resultados del estudio, se concluye que el prototipo permite realizar estudios de intercambio térmico y por su configuración es una herramienta prometedora para aumentar la recuperación de energía. Palabras claves:  Intercambiador termico, Diseño, Gas Natural, Prototipo, Leche. 1. Introducción Los intercambiadores de calor de placas se utilizan ampliamente en las industrias de alimentos. Estos se han convertido en una gran herramienta para aumentar la recuperación de calor y la eficiencia del uso de energía durante los procesos industriales. Este sistema térmico consiste en una serie de placas corrugadas prensadas en un marco, lo cual permite generar un aumento considerable de la superficie de transmisión por placas. Una secuencia de canales delgados se forma entre las placas y la distribución del flujo de las corrientes caliente y fría se define por las perforaciones de estas y los empaques de material termorresistentes, por lo que un gran número de configuraciones es posible (Gut et al ., 2004). En la pasterización de leche, el intercambio térmico u tilizando intercambiadores de calor de placas (PHEs) se ba sa en una operación de estabilización para la reduc ción de la población de microorganismos presentes, para prolongar el tiempo de vida útil y garantizando la inocuidad del producto. Dicho proceso sube la tem peratura de la leche a un mínimo de 72°C por 15 segundos, a través de un tubo de retención (Morison, 2005). Es fundamental controlar las variables para garantizar la calidad de proteínas y enzimas que se pueden ver afectadas por calor excesivo (Kessler, 1981). En los fenómenos térmicos, los profesion ales relac ionados con las cien cias alim entarias y la inge niería, tienen retos científicos y tecnológicos, en el diseño de equipos a escala piloto para fortalecer la investigación , la docencia y la transferencia de conocimiento en tecnología como un factor esencial para sustentar el desarrollo económico y social al servicio del sector productivo y de la sociedad. De acuerdo a esto, el objetivo de este estudio se basa en el diseño y la construcción de un s istema tecnológico de inte rcambio térmico para pasterización de lech e HTST a escala piloto, mediante el uso de gas natural como una fuente de energía alternativa respecto al suministro de vapor de agua, el cual se utiliza generalmente para calentar la leche en los intercam biadores comerciales. De esta forma se presenta un sistema que permite reducir el consumo energético y el ensuciamiento resultante del proceso, al igual que se convierte en una opción económicamente via ble para las pequeñas plantas y agremia ciones procesadoras de leche, en un país donde su  producción según estadística s de Fedegan para el año 2011 f ue de 6.452 Millones de litros (Fedegan, 2012).

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Diseño pasteurizador de 150 L aproximadamente

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  • Abreviaturas: HTST, Pasteurizador continuo alta temperatura corto tiempo; PID, Proporcional Integrativo Derivativo.

    Correspondencia autor: [email protected].

    Diseo y Construccin de un Intercambiador de Calor (Prototipo) de

    Flujo Contino HTST utilizando Gas Natural para el Estudio del

    Procesamiento de Leche

    Olga Martnez1*

    , Jhon Morales1, Oscar Quintero

    1, Luis Porras

    1.

    1Facultad de Qumica Farmacutica, Departamento de Alimentos, Universidad de Antioquia. Calle 67 N 53-108 Of.

    2-103, Medelln-Colombia.

    RESUMEN

    El presente estudio desarrolla un prototipo intercambiador trmico de placas de alta temperatura y corto tiempo (HTST)

    para leche, utilizando gas natural como energa alternativa respecto al vapor de agua. Los datos tcnicos industriales y

    normativos fueron recopilados, el diseo y escalado dimensional fue realizado mediante clculos iterativos y

    ecuaciones de propiedades fsicas. Los tiempos de residencia fueron establecidos por mecnica de fluidos para

    transporte de leche y agua, con caudal de 150l/h. Los suministros calculados y obtenidos experimentalmente fueron:

    247l/h agua (78C), 1115l/h agua (1C), gas natural (4.8Kw a 20mbar), aire comprimido (40PSI), conexin elctrica

    110V para bombas y sistema electrnico de control diseado con dos procesadores Proporcional Integrativo Derivativo

    (PID) . El parmetro de pasterizacin se determin aplicando la AOAC 991.24 para fosfatasa alcalina y ausencia de

    peroxidasa. Basado en los resultados del estudio, se concluye que el prototipo permite realizar estudios de intercambio

    trmico y por su configuracin es una herramienta prometedora para aumentar la recuperacin de energa.

    Palabras claves: Intercambiador termico, Diseo, Gas Natural, Prototipo, Leche.

    1. Introduccin

    Los intercambiadores de calor de placas se utilizan ampliamente en las industrias de alimentos. Estos se han convertido

    en una gran herramienta para aumentar la recuperacin de calor y la eficiencia del uso de energa durante los procesos

    industriales. Este sistema trmico consiste en una serie de placas corrugadas prensadas en un marco, lo cual permite

    generar un aumento considerable de la superficie de transmisin por placas. Una secuencia de canales delgados se

    forma entre las placas y la distribucin del flujo de las corrientes caliente y fra se define por las perforaciones de estas

    y los empaques de material termorresistentes, por lo que un gran nmero de configuraciones es posible (Gut et al.,

    2004).

    En la pasterizacin de leche, el intercambio trmico utilizando intercambiadores de calor de placas (PHEs) se basa en

    una operacin de estabilizacin para la reduccin de la poblacin de microorganismos presentes, para prolongar el

    tiempo de vida til y garantizando la inocuidad del producto. Dicho proceso sube la temperatura de la leche a un

    mnimo de 72C por 15 segundos, a travs de un tubo de retencin (Morison, 2005). Es fundamental controlar las

    variables para garantizar la calidad de protenas y enzimas que se pueden ver afectadas por calor excesivo (Kessler,

    1981).

    En los fenmenos trmicos, los profesionales relacionados con las ciencias alimentarias y la ingeniera, tienen retos

    cientficos y tecnolgicos, en el diseo de equipos a escala piloto para fortalecer la investigacin, la docencia y la

    transferencia de conocimiento en tecnologa como un factor esencial para sustentar el desarrollo econmico y social al

    servicio del sector productivo y de la sociedad. De acuerdo a esto, el objetivo de este estudio se basa en el diseo y la

    construccin de un sistema tecnolgico de intercambio trmico para pasterizacin de leche HTST a escala piloto,

    mediante el uso de gas natural como una fuente de energa alternativa respecto al suministro de vapor de agua, el cual se

    utiliza generalmente para calentar la leche en los intercambiadores comerciales. De esta forma se presenta un sistema

    que permite reducir el consumo energtico y el ensuciamiento resultante del proceso, al igual que se convierte en una

    opcin econmicamente viable para las pequeas plantas y agremiaciones procesadoras de leche, en un pas donde su

    produccin segn estadsticas de Fedegan para el ao 2011 fue de 6.452 Millones de litros (Fedegan, 2012).

  • 2. Materiales y metodos

    2.1 Experiencias industriales y datos tcnicos de piezas estructurales del equipo para intercambio trmico.

    Durante el diseo y construccin del sistema tecnolgico de intercambio trmico HTST se realiz un trabajo de campo

    en cuatro plantas procesadoras de leche ubicadas en la subregin Norte del Departamento de Antioquia, Colombia, se

    recopilaron datos tcnicos como: temperaturas de operacin, presiones de trabajo, distribucin de flujos, dimensiones

    reales de piezas y componentes de equipos con diferentes capacidades operativas; al igual que los sistemas de

    instrumentacin y control integrados a procesos de pasteurizacin.

    Las placas de intercambio de acero inoxidable AISI 316 marca Labinco fueron las ms viables a nivel comercial para la

    construccin del prototipo, sus dimensiones y datos tcnicos necesarios para la realizacin de los clculos de diseo, se

    presentan en la Tabla 1.

    2.2 Diseo del sistema de Intercambio Trmico.

    En el diseo del sistema de intercambio trmico se generaron las siguientes suposiciones: 1) prdidas de calor hacia el

    exterior despreciables, 2) coeficiente global de intercambio trmico constante, 3) temperatura al interior de cada canal

    varia solo en la direccin del flujo, 4) caudal dividido por igual entre todos los canales 5) no formacin de bolsas de aire

    en el interior del intercambiador. Despreciando los anteriores fenmenos y teniendo en cuenta que el sistema a disear

    se compone de tres zonas (calentamiento, regeneracin y enfriamiento) y su circulacin es en un sistema en paralelo y

    contracorriente, se procedi a realizar los clculos necesarios de ingeniera descritos por Albert Ibarz y Gustavo

    Barbosa Canovas (2002). Los accesorios empleados para la conduccin del fluido son de acero inoxidable tipo 304 en

    sistema Clamp de 1 para empaque y abrazadera de 1; los cuales permiten el desarme total del equipo para su

    inspeccin y lavado manual.

    Tabla 1. Datos tcnicos placas de Intercambio Trmico.

    2.2.1 Propiedades fsicas del agua

    La Densidad, difusividad, viscosidad, conductividad trmica y calor especfico fueron obtenidas de la literatura

    (Incropera et al., 1996).

    2.2.2 Propiedades fsicas de la leche

    Se calcularon utilizando las ecuaciones descritas por Choi y Okos (1986) para cada una de las fases de intercambio

    trmico teniendo en cuenta la temperatura de entrada de los fluidos y la promedio.

    2.3 Diseo Trmico

    Las siguientes ecuaciones han sido descritas en la literatura para el diseo convencional de intercambiadores de calor

    las cuales fueron tomadas de acuerdo al diseo planteado por Albert Ibarz, 2002.

    2.3.1 Balance Global de energa

    Se realiza para cada una de las fases de intercambio apoyadas en el balance global de energa descrito en la ecuacin 1.

    (1)

    Dnde:

    Q : Flujo de calor.

    : Flujos msicos del fluido caliente y fro respectivamente.

    Nomenclatura Descripcin Valor

    K(w/mC) Conductividad Trmica 16

    a(mm) Ancho Placa 100

    b(mm) Espacio entre placas 3

    L(mm) Alto Placa 480

    Calibre(mm) 0,75

    De (m) Dimetro 0,006

    S(m2) rea circulacin 0,0003

    F Factor de obstruccin 0,000035

    )()( fefsfcscec ttCpmTTCpMQ

    myM __

  • Cpc y Cpf: Capacidad calorfica de los fluidos caliente y fro respectivamente.

    Tce y Tcs: Temperatura del fluido caliente a la entrada en grados Celsius (C).

    tfe y tfs: Temperatura del fluido fro a la entrada y a la salida en grados Celsius (C).

    2.3.2 Clculo de la diferencia de temperatura media logartmica

    Se calcula la diferencia de temperaturas que relaciona especficamente las temperaturas de entrada y de salida de los dos

    fluidos involucrados en el intercambio trmico, esta diferencia esta descrita por la ecuacin 2.

    (2)

    Donde:

    Tce: Temperatura de entrada del fluido caliente.

    Tcs: Temperatura de salida del fluido caliente.

    Tfe: Temperatura de entrada del fluido fro.

    Tfs: Temperatura de salida del fluido fro.

    2.3.3 Nmero de unidades de transferencia

    El nmero de unidades de transferencia de calor NUT se analizo mediante la ecuacin (3).

    (3)

    2.3.4 Calculo del factor de correccin

    El factor de correccin F fue determinado mediante el diagrama descrito por Marriott, 1971 teniendo en cuenta que el

    sistema utilizado en el presente diseo es 1 a 1.

    2.3.5 Nmero de Reynolds

    El clculo del nmero de Reynolds se determina mediante la suposicin del nmero de canales de fluido frio y caliente

    en cada una de las fases de intercambio trmico de acuerdo a la ecuacin 4.

    eDnG )/(Re (4)

    Donde G es el flujo de masa global, De es el dimetro equivalente que se define como dos veces la separacin entre las

    placas, n es el nmero de canales para cada uno de los fluidos y es la viscosidad.

    2.3.6 Coeficientes de transferencia de calor por conveccin

    Los coeficientes de conveccin de transferencia trmica se hallaron de acuerdo a la ecuacin 5.

    (5)

    Lc: Longitud caracterstica del canal (Lc=2b) (dos veces la distancia entre placas).

    : Flujo msico del agua fra, Kg/h.

    f : Viscosidad del agua fra a la temperatura promedio.

    2

    )( fefs tt

    )(

    )(

    )()(

    fecs

    fsce

    fecsfsce

    m

    tT

    tTLn

    tTtTT

    m

    fefs

    T

    ttNUT

    4.065.0 )(Pr)(Re2536.0 ffc

    f

    fL

    Kh

    m

  • fK : Conductividad trmica del agua fra a la temperatura promedio.

    Pr: Numero de Prand.

    2.3.7 Clculo del coeficiente global de transferencia de Calor

    Se calculo el coeficiente global de transferencia de calor (U) utilizando la ecuacin 6.

    (6)

    Dnde:

    X: Espesor de la placa.

    Kp: Conductividad trmica de las placas.

    Rt : Factor de obstruccin por incrustaciones.

    hf y hc: Coeficientes de transferencia de calor por conveccin del fluido fro y caliente, respectivamente.

    2.3.8 rea total de transferencia de calor

    El uso de las ecuaciones 7 y 8 permite calcular el nmero de placas necesarias para cada una de las fases de intercambio

    trmico.

    (7)

    (8)

    N: Nmero de placas.

    AP: rea de cada placa.

    2.4. Diseo Mecnico de Fluidos

    2.4.1 Tubera de Retencin

    Para determinar la longitud de la tubera de retencin se utilizaron las ecuaciones 9 y 10 descritas en la literatura (Albert

    Ibarz, 2002; Coulson y Richardson, 1979; McCabe et al., 1985) las cuales fueron usadas en este estudio.

    (9)

    Donde:

    mV : Velocidad media de circulacin.

    Q: Caudal de circulacin.

    A: rea de circulacin.

    DVmRe (10)

    Re < 2100 Rgimen laminar.

    2100

  • 2.4.2 Calculo de las Perdidas de Presin.

    Se utiliz una de las variantes de la ecuacin de fanning descrita en la ecuacin 11.

    egD

    LGfP

    2

    2

    (11)

    Donde G es la densidad de flujo msica del fluido, L la longitud de la placa o el recorrido del fluido en cada una de las

    placas, g es la constante gravitacional y f el factor de friccin. El factor de friccin para fluidos newtonianos en rgimen

    turbulento se puede hallar por medio de la ecuacin 12 (Cooper, 1974; Raju et., al, 1980).

    3.0Re

    5.2f (12)

    2.5 Diseo de conformacin fsica del prototipo Intercambiador de Placas

    El intercambiador fue dibujado mediante el uso del software de dibujo asistido Solid Edge V17, con el cual se

    disearon y construyeron todas las piezas del equipo. Se simulo un acople tridimensional que permiti la prediccin del

    ensamble real.

    3. RESULTADOS Y DISCUSIN

    El intercambiador de calor desarrollado est compuesto de tres zonas de intercambio trmico (calentamiento,

    regeneracin y enfriamiento), separadas entre s por dos bloques distribuidores de flujo y unidas por compresin entre

    dos tapas terminales, las cuales fueron escaladas, diseadas y construidas sobre planos generados como resultado del

    proceso investigativo de campo. Se defini la incorporacin de un tanque de balance y mezclas construido en acero

    inoxidable tipo 304 calibre 16, permitiendo el retorno del flujo en circuito cerrado cuando la temperatura de

    pasterizacin no logre ser alcanzada, adempas se facilita la admisin de las soluciones de lavado CIP (NaOH y HCl

    1% p/v). Se encontr que los resultados son acordes a flujos, tiempos y temperaturas identificados en el trabajo de

    campo. La fuente de energa trmica del sistema tecnolgico fue gas natural adaptado como termo-calentador, para agua

    hasta 78C, suministrada en flujo continuo hasta la zona de calentamiento. El sistema de intercambio se conformo con

    tres zonas de transferencia trmica, como se muestra en la figura 1. Distribuidas en ocho placas para regeneracin por

    las cuales circulan cuatro canales de leche caliente y cinco canales de leche fra, seis placas para calentamiento con tres

    canales de agua caliente y cuatro canales de leche fra y seis placas de enfriamiento para cuatro canales de leche

    caliente y tres canales de agua fra. Adems est compuesto de dos placas terminales, dos bloques para

    direccionamiento de flujo. El sistema se obtuvo aplicando un proceso iterativo de clculos descrito por Albert Ibarz y

    Gustavo Barbosa Canovas (2002), el cual se presenta en la Tabla 2.

    La cantidad de placas obtenidas para cada una de las zonas est directamente relacionada con las caractersticas de flujo

    tales como el nmero Reynolds, la diferencia media logartmica de temperaturas y las propiedades fsicas y qumicas

    del fluido, es as como en la zona de regeneracin se evidencio un aumento importante de la cantidad de placas lo cual

    es consecuente con un valor de Reynolds (1633,89 para leche caliente y 1132,96 para leche fra) inferior al de las zonas

    de calentamiento y enfriamiento. Se evidenci una recuperacin de energa en la regeneracin dando lugar a que en

    esta primera etapa el fluido frio que entra sufra un precalentamiento, el cual reduce el consumo energtico para alcanzar

    la temperatura de pasterizacin, y al cederse calor se evita tener que utilizar energa para realizar el enfriamiento del

    producto ya pasteurizado.

    El sistema electrnico de control se defini de acuerdo a los requerimientos de diseo con dos procesadores PID

    (Proporcional integral derivativo) Maxthermo y vlvula tres vas electro-neumtica sanitaria AINOX tipo clamp para

    diversin y seguridad, estos permiten la lectura de datos termodinmicos y de transferencias de calor entre leche y agua

    en tiempo real.

  • Figura 1. Diagrama de disposicin de zonas y distribucin de flujos del intercambiador de calor usado para

    pasterizacin de leche.

    Tabla 2. Condiciones trmicas obtenidas de las zonas de intercambio trmico (a) zona de calentamiento, (b) zona de

    regeneracin y (c) zona de enfriamiento para el proceso de pasterizacin mediante proceso iterativo.

    (a)

    ZONA DE CALENTAMIENTO

    ITERACION CALCULO DE PLACAS CON SUPOSICION DE CANALES MENORES

    nc nf Rec Ref hc hf 1/U U At N N+1

    1 1 5900,63 8321,48 6912,28 8895,34 0,0004 2674,06 0,17 3,64 4,64

    2 3 2950,32 2773,83 4405,06 4355,46 0,0005 1986,16 0,24 4,91 5,91

    3 3 1966,88 2773,83 3384,48 4355,46 0,0006 1748,44 0,27 5,57 6,57

    3 4 1966,88 2080,37 3384,48 3612,63 0,0006 1615,12 0,29 6,03 7,03

    ITERACION CALCULO DE PLACAS CON SUPOSICION DE CANALES MAYORES

    nc nf Rec Ref hc hf 1/U U At N N+1

    10 10 590,06 832,15 1547,47 1991,42 0,0012 836,65 0,56 11,65 12,65

    6 6 983,44 1386,91 2156,86 2775,65 0,0009 1148,39 0,41 8,48 9,48

    5 4 1180,13 2080,37 2428,24 3612,63 0,0007 1359,61 0,34 7,17 8,17

    4 4 1475,16 2080,37 2807,26 3612,63 0,0007 1470,80 0,32 6,62 7,62

    3 4 1966,88 2080,37 3384,48 3612,63 0,0006 1615,12 0,29 6,03 7,03

    (b)

    ZONA DE REGENERACION

    ITERACION CALCULO DE PLACAS CON SUPOSICION DE CANALES MENORES

    nc nf Rec Ref hc hf 1/U U At N N+1

    1 1 6535,55 5664,78 6906,01 6277,00 0,0004 2375,36 0,19 3,86 4,86

    2 3 3267,77 1888,26 4401,06 3073,43 0,0006 1668,16 0,26 5,50 6,50

    3 3 2178,52 1888,26 3381,41 3073,43 0,0007 1497,05 0,29 6,13 7,13

    3 4 2178,52 1416,19 3381,41 2549,25 0,0007 1360,76 0,32 6,74 7,74

    4 4 1633,89 1416,19 2804,71 2549,25 0,0008 1256,77 0,35 7,30 8,30

    4 5 1633,89 1132,96 2804,71 2205,06 0,0009 1166,97 0,38 7,86 8,86

    ITERACION CALCULO DE PLACAS CON SUPOSICION DE CANALES MAYORES

    nc nf Rec Ref hc hf 1/U U At N N+1

    8 8 816,94 708,10 1787,39 1624,59 0,0012 818,40 0,54 11,21 12,21

    6 6 1089,26 944,13 2154,91 1958,64 0,0010 978,96 0,45 9,37 10,37

    5 5 1307,11 1132,96 2426,03 2205,06 0,0009 1095,80 0,40 8,37 9,37

    4 5 1633,89 1132,96 2804,71 2205,06 0,0009 1166,97 0,38 7,86 8,86

  • (c)

    ZONA DE ENFRIAMIENTO

    ITERACION CALCULO DE PLACAS CON SUPOSICION DE CANALES MENORES

    nc nf Rec Ref hc hf 1/U U At N N+1

    1 1 6256,28 4693,43 6493,21 5499,24 0,0005 2208,85 0,16 3,38 4,38

    2 2 3128,14 2346,72 4138,00 3504,56 0,0006 1742,52 0,21 4,28 5,28

    3 2 2085,43 2346,72 3179,30 3504,56 0,0006 1546,19 0,23 4,83 5,83

    3 3 2085,43 1564,48 3179,30 2692,61 0,0007 1364,64 0,26 5,47 6,47

    3 4 2085,43 1173,36 3179,30 2233,39 0,0008 1235,85 0,29 6,04 7,04

    ITERACION CALCULO DE PLACAS CON SUPOSICION DE CANALES MAYORES

    nc nf Rec Ref hc hf 1/U U At N N+1

    10 10 625,63 469,34 1453,65 1231,13 0,0015 646,39 0,55 11,55 12,55

    6 6 1042,71 782,24 2026,10 1715,95 0,0011 890,31 0,40 8,38 9,38

    5 4 1251,26 1173,36 2281,02 2233,39 0,0009 1071,78 0,33 6,97 7,97

    4 4 1564,07 1173,36 2637,06 2233,39 0,0009 1144,38 0,31 6,52 7,52

    3 4 2085,43 1173,36 3179,30 2233,39 0,0008 1235,85 0,29 6,04 7,04

    Dnde:

    nc: Nmero de canales del fluido caliente.

    nf: Nmero de canales del fluido frio.

    Rec: Reynolds zona del fluido caliente.

    Ref: Reynolds zona del fluido frio.

    hc: Coeficiente de transferencia de calor por conveccin zona del fluido caliente.

    hf: Coeficiente de transferencia de calor por conveccin zona del fluido frio.

    U: Coeficiente global de transferencia de calor.

    At: rea Total

    N: Numero de placas.

    N+1: Numero de canales de intercambio.

    3.1 Sistema Mecnico de Fluidos

    3.1.1 Calculo de la Tubera de Retencin

    Se evalu el tipo de fluido a transportar, siendo la leche un sistema polidisperso cuyas caractersticas fisicoqumicas

    permiten denominarla como un fluido Newtoniano (Albert Ibarz, 2002). De igual forma, el material utilizado para la

    tubera se desarroll con acero inoxidable con acabado sanitario tipo 304, con un dimetro nominal de 1 pulgada y

    cedula 40. Los clculos dimensionales fueron los siguientes: Dimetro externo de 3.340 cm, Dimetro interno 2.664cm

    y Espesor de 0.338cm. Para definir las caractersticas del flujo de leche que ingresa a la tubera de retencin fue

    necesario definir las variables de temperatura, densidad, caudal y viscosidad del fluido equivalentes a 74C (1019.7

    Kg/m3, 0.00004167 m

    3/s, 0.00015Kg/m*s) respectivamente (Albert Ibarz, 2002).

    En la Tabla 3 se observan los resultados que generaron los clculos para hallar la longitud en la tubera de retencin,

    para sostener la leche a 74C durante un tiempo de 15 segundos.

  • Tabla 3. Clculos de la Tubera de Retencin

    Nomenclatura Parmetro Valor

    Vm Velocidad media

    (m/s)

    0.07476

    A rea Circulacin

    (m2)

    0.0005574

    Re Numero Reynolds 13600

    Vmax Velocidad mxima

    (m/s)

    0.09117

    L Longitud Tubera

    Retencin (m)

    1.37

    3.2 Diseo del sistema de Intercambio Trmico

    Se determinaron todas las temperaturas de entrada y salida de cada una de las fases de intercambio trmico, algunas

    estaban definidas por las caractersticas especficas de funcionamiento del equipo mientras que la admisin de la leche

    en la zona de regeneracin, fueron calculadas como se evidencia en tabla 4.

    En la tabla 5 se presentan los resultados obtenidos en la determinacin de coeficientes de friccin y las perdidas por

    presin de cada una de las zonas de intercambio trmico, por las cuales tuvieron que circular los fluidos.

    Los resultados de prdidas de presin fueron consecuentes con el volumen, las caractersticas trmicas y rgimen de

    circulacin de los fluidos en cada una de las zonas de intercambio.

    Tabla 4. Clculos de Intercambio trmico en las fases de calentamiento, regeneracin y enfriamiento.

    ZONAS ZONA DE

    REGENERACION

    ZONA DE

    CALENTAMIENTO

    ZONA DE

    ENFRIAMIENTO

    DATOS Leche Leche Leche Agua Leche Agua

    Te (C) 4,00 74,00 53,00 78,00 24,33 1,00

    TS (C) 53,00 24,33 74,00 66,00 4,00 3,50

    M (kg/s) 0,043 0,042 0,043 0,067 0,043 0,309

    K (J/s.m.C) 0,521 0,607 0,586 0,672 0,551 0,559

    Cp (J/kgC) 3750,63 3750,63 3750,63 4192,00 3750,63 4224,00

    (kg/m3) 1033,70 1019,70 1023,90 973,00 1029,63 999,90

    D (m2/s) 0,00000013 0,00000015 0,00000014 0,00000017 0,00000013 0,00000132

    (kg/m.s) 0,000130 0,000150 0,000140 0,000160 0,000137 0,001320

    Q (w) 7915,60 -7915,60 3360,24 -3360,24 -3270,81 3270,81

    G (Kg/s.m2) 143,569 141,625 142,208 222,662 143,005 1032,451

    Pr 0,931 0,925 0,925 0,994 0,940 0,990

    TML (C) 20,66 7,64 -9,20

    Ap (m2) 0,048 0,048 0,048

    NUT 2,404 1,572 0,272

    F 0,87 0,94 0,99

  • Tabla 5. Factores de friccin y prdidas de presin durante el intercambio trmico.

    ZONA DE REGENERACIN

    Fluido Re f (Kg/m2)

    Leche Fra 1132,956 0,303 99,166

    Leche Caliente 1633,887 0,272 86,460

    ZONA DE CALENTAMIENTO

    Fluido Re f (Kg/m2)

    Leche Fra 2080,370 0,253 81,635

    Agua Caliente 1966,877 0,257 213,080

    ZONA DE ENFRIAMIENTO

    Fluido Re f (Kg/m2)

    Leche Caliente 1564,477 0,275 91,89

    Agua Fra 1564,071 0,275 4642,19

    En la figura 2 se observa una vista del prototipo desarrollado mediante el uso del software de dibujo asistido Solid Edge

    V17.

    Figura 2. Vista Prototipo Intercambiador de Calor de Placas HTST.

    4. CONCLUSIONES

    El diseo y construccin del prototipo utilizando gas natural permite realizar estudios de intercambio trmico y por su

    configuracin es una herramienta prometedora para aumentar la recuperacin de energa con respecto al uso tradicional

    del vapor de agua.

    La implementacin del sistema tecnolgico impacta la competitividad y productividad de las pequeas empresas en

    Colombia, garantizando la seguridad alimentaria de las poblaciones en desarrollo, reduciendo las problemticas de

    infraestructura para generacin de vapor y la disponibilidad comercial de equipos con baja capacidad operativa,

    tecnologas cuyos costos son elevados.

    AGRADECIMIENTOS

    Fondo de Innovacin Programa Gestin Tecnolgica, Facultad de Qumica Farmacutica y Grupo de Investigacin de

    Analisis Sensorial. Universidad de Antioquia, quienes financiaron y apoyaron el proyecto de investigacin en ingeniera

    aplicada.

    REFERENCIAS

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