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Sistemas de Enfriamiento Directos e Indirectos para la elaboración de Cerveza, Helado, pasteurización de leche, etc.

Cualquier superficie de transferencia de calor en la cual se expande un líquido volátil (refrigerante) para producir un efecto de enfriamiento, se llama evaporador de “expansión directa”.

Un sistema de refrigeración de expansión directa o “directo” es aquel que se encuentra en contacto con el material por refrigerar.

Es con frecuencia inconveniente y antieconómico el circular un refrigerante de expansión directa en el área en la que se requiere el enfriamiento. Por eso es que generalmente se emplea un sistema de refrigeración indirecta, es decir que por medio de refrigeración directa, se enfría el líquido refrigerante y se recircula este líquido para refrigerar en forma indirecta el producto elaborado. El refrigerante secundario, calentado por la absorción de calor del espacio o producto refrigerado, regresa al enfriador para ser nuevamente enfriado y recirculado.

Los sistemas de refrigeración indirecta, generalmente se emplean ventajosamente en cualquier instalación en que el espacio o producto por enfriar se encuentre localizado a una distancia considerable del equipo de condensación. La razón para esto es que las líneas de refrigerante de expansión directa rara vez son prácticas. En primer lugar, son costosas en su instalación y necesitan una carga de refrigerante considerable, además originan problemas de retorno de aceite y causan pérdidas excesivas en la presión de refrigerante que tienden a reducir la capacidad y eficiencia del sistema. Las fugas son más serias, más peligrosas y más probables en las tuberías de refrigerante primario que en tuberías de agua con glicol.
La refrigeración indirecta es necesaria también en muchos procesos industriales, en los que con frecuencia no es práctico mantener un cierre hermético alrededor del producto o recipiente que está siendo enfriado. (Cerveza, Helado, etc.) Los sistemas indirectos, se usan además con ventaja en cualquier aplicación en que la fuga del refrigerante y/o el aceite, desde las líneas, puede causar contaminación u otro daño a un producto almacenado. Lo anterior se aplica particularmente a la elaboración de productos alimenticios.

A grandes rasgos puede describirse un sistema de refrigeración de 2 circuitos de la siguiente manera:

Sistema de Refrigeración Directo o Primario: (SRD) (como en una heladera)


Sistema de Refrigeración Indirecto o Secundario: (SRI)


Directo: (SRD)


En la figura 1, se presenta el gráfico de un sistema de enfriamiento de dos circuitos. El sistema de refrigeración secundario o indirecto extrae calor del producto (mosto o Cerveza) en el fermentador o tanque de almacenamiento, el evaporador del circuito primario o directo extrae calor del tanque de Propilenglicol, y lo cede al medioambiente por medio del condensador. Se emplean dos controladores de temperatura, uno controla la temperatura del evaporador (TC1), activando el funcionamiento del compresor del circuito primario, el otro controlador regula la temperatura del fermentador (TC2), activando el funcionamiento de la bomba del circuito secundario de refrigeración.

Refrigerantes en Sistemas de Enfriamiento Indirectos

Definición:
El refrigerante del sistema de enfriamiento secundario o indirecto, se encuentra normalmente en estado líquido y no cambia su estado de agregación, en este caso el refrigerante actúa, absorbiendo calor de otro cuerpo o sustancia (por ejemplo: mosto o Cerveza), y cediéndolo al evaporador del circuito primario. La circulación de refrigerante secundario se realiza con una bomba.
Algunos refrigerantes usados comúnmente son: agua, salmueras (de cloruro de sodio y de cloruro de calcio), glicoles (Propilenglicol, glicerina), etileno, propileno, y antiguamente Metanol(alcohol metílico) el cual por su toxicidad no es conveniente.

Agua:
Casi sin excepción, se usa el agua como refrigerante secundario en sistemas grandes de acondicionamiento de aire, así como en instalaciones de enfriamiento de procesos industriales, en los que las temperaturas de operación son superiores al punto de congelación del agua. El agua, gracias a su fluidez, un elevado valor de calor específico y alto coeficiente de película es un refrigerante secundario excelente. Tiene también la ventaja de ser barata y relativamente no corrosiva.
El agua se usa también con frecuencia como refrigerante secundario de enfriadores pequeños para bebidas y en enfriadores que se emplean en las granjas para el enfriamiento de recipientes para leche. En tales casos, el agua debido a su alta conductividad, permite un enfriamiento más rápido del producto de lo que sería posible con aire. El agua también suministra una capacidad retención, que tienden a nivelar las fluctuaciones de carga que resultan de cargas intermitentes en el enfriador.

Soluciones Anticongelantes:
Ciertos compuestos solubles en agua, descritos generalmente como agentes Anticongelantes, se emplean con frecuencia para hacer descender el punto de congelación
del agua. Los agentes Anticongelantes más conocidos son las sales, los glicoles, los alcoholes.

Salmueras:
Resulta obvio que no pueda emplearse el agua como refrigerante secundario en cualquier aplicación en que la temperatura de refrigeración sea inferior al punto de congelación del agua. En tales casos, se emplea con frecuencia una solución salina.
Salmuera es el nombre que se da a la solución que resulta cuando se disuelven diversas sales en el agua. Si se disuelve una sal en agua, la temperatura de congelación de la salmuera resultante será inferior a la temperatura del agua pura. Hasta un cierto punto, mientras más sal se disuelva en la solución, menor será la temperatura de congelación de la salmuera. Sin embargo, si la concentración de sal aumenta más allá de un cierto punto, la temperatura de congelación de la salmuera se elevará en el lugar de reducirse. Por lo tanto, una solución de una sal cualquiera en agua, tiene una cierta concentración a la cual el punto de congelación de la solución es el más bajo. Una solución a la concentración crítica, recibe el nombre de solución eutética.
Igual que en el caso del agua enfriada, la salmuera enfriada (o solución Anticongelantes) puede circular directamente, alrededor del producto o recipiente refrigerado, o puede usarse para enfriar el aire en un espacio refrigerado. Cuando se emplea para enfriar a aire, la salmuera fría circula a través de un serpentín o a través de una unidad de atomización de salmuera.

Se usan comúnmente dos tipos de salmuera en la práctica normal de refrigeración:
I) cloruro de calcio ( CaCl2 ) y
II) cloruro de sodio ( NaCl ).

Propilenglicol:
El Propilenglicol es el agente Anticongelantes que más se usa en servicio de refrigeración, especialmente en la industria alimenticia en donde la toxicidad es un factor importante. [1] A diferencia de la salmuera, las soluciones de glicol no son corrosivas. También, tienen la propiedad de no ser electrolíticas y por lo tanto, se pueden emplear en sistemas que contengan metales diferentes. Los glicoles son compuestos extremadamente estables, y no se evaporan bajo condiciones de operación normales. Debido a las muchas ventajas de las soluciones de glicol, se están usando para substituir la salmueras en muchas instalaciones, particularmente en las industrias cervecera del Helado y de la leche. El cambio, de salmuera a glicol, puede efectuarse prácticamente sin cambios en el equipo instalado. [1].
En la tabla N° 6 se indican los puntos de congelación en °C, de soluciones de Propilenglicol en función de la concentración. La concentración de las soluciones está expresada en porcentaje en volumen.
Tabla 6. Puntos de Congelación de Soluciones de Propilenglicol, [1].


tabla puntos de congelación

Propilenglicol a diferentes concentraciones:

% Propilenglicol HASTA °C
0% 0
10% -3
20% -8
30% -14
40% -22
50% -34
60% -48
100% -59
% en volumen con agua bidestilada desionizada.


Con esta tabla se puede establecer la concentración de Propilenglicol necesaria para alcanzar la temperatura final deseada de un proceso, como por ejemplo la temperatura de fermentación. Luego con un controlador de temperatura se podrá regular la misma según el estilo de Cerveza a preparar.
Conclusiones y Recomendaciones Finales
1) Cuando se diseñan equipos para la elaboración de alimentos, bebidas y fármacos, se debe desarrollar un análisis de riesgos generados por problemas operativos o constructivos, y el cumplimiento de las reglas del buen arte de la ingeniería y el seguimiento de las buenas prácticas de manufactura;
2) El circuito de enfriamiento indirecto que se encuentre en contacto con el alimento o fármaco (Ej: mosto, Cerveza, Helado, leche, etc) debe contener un refrigerante no tóxico por el riesgo a la salud que una contaminación representa;
3) Se recomienda realizar un análisis químico cuali y cuantitativo para identificar el refrigerante indirecto y/o la posible contaminación del mismo con sustancias tóxicas, para evitar una posible intoxicación, antes de cargarlo al sistema de refrigeración;
4) Se recomienda la verificación de la presencia del refrigerante correspondiente en el circuito primario, lo cual puede realizarse midiendo la presión de vapor del mismo a la temperatura ambiente y comparándola con la presión existente en la tabla del refrigerante correspondiente, lo cual garantiza el correcto funcionamiento del sistema de refrigeración directo o primario;
5) Se debe contemplar además el riesgo de incendio y de intoxicación al personal que manipula al refrigerante secundario puro (glicol) como así también los elementos de protección personal a emplear y las medidas de protección correspondientes;

Sistema de Enframiento

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  1. Principios de Refrigeración Roy J. Dossat, (Profesor de Refrigeración y Aire Acondicionado, Universidad de Houston, Houston, Texas) Compañía Editorial Continental, S.A. 7ª impresión en español, junio de 1972
  2. Articulo y comentarios extraidos de http://www.cerveceroscaseros.com.ar