BALANCE TERMICO DE UN SISTEMA DE PASTEURIZACION HTST DE LECHE CON APORTE MAYORITARIO DE ENERGIA SOLAR

Ing. Antonio García Velásquez - agarcia@eltaller.org.peEl Taller Asociación de Promoción y Desarrollo - Arequipa

MSc. Ing. Arturo Alatrista Corrales - arturo.alatrista@gmail.comUniversidad La Salle - Arequipa

MSc. Ing. Pedro Bertín Flores Larico - pfloresl1956@gmail.com, pfloresl@unsa.edu.pe

Universidad Nacional San Agustín de Arequipa, cer-ee-unsa

Con este trabajo se pretende mostrar los resultados de las pruebas de campo del primer prototipo construido, como base para su validación técnica. Dicho prototipo ha sido construido en el contexto del desarrollo del proyecto : “Desarrollo de un sistema productivo rentable y de alto estándar sanitario, para lecherías rurales de la sierra de Arequipa, utilizando la energía solar térmica como recurso clave dinamizador”, el cual fue implementado por la ONG El Taller de Arequipa, desde abril del 2013 hasta agosto 2014, con el apoyo del Ministerio de Asuntos Exteriores de Finlandia, la Alianza de Energía y Ambiente para la Región Andina y el Instituto Interamericano de Cooperación para la Agricultura.

SITUACIONDe acuerdo con el plan energético nacional, para el 2018,

nuestro país deberá reducir en 15% el consumo energético de fuente tradicional. El 52 % de este consumo, se encuentra en el sector industrial y generación térmica. La energía solar se convierte en una alternativa promisoria.

La sierra sur del país, ostenta uno de los índices de radiación directa más altos del mundo. (NREL,USA) (www.3tier.com). A diferencia de las aplicaciones solares para generación eléctrica (fotovoltaica o térmica), donde se alcanzan eficiencias de 15 a 20%, una de las aplicaciones más prometedoras de las tecnologías solares, está relacionada a la generación de calor para procesos industriales, donde se alcanzan eficiencias mayores a 50%.

SITUACION IISectores industriales, como alimentos, química, plásticos,

textil y materiales, involucran procesos que requieren temperaturas entre 80°C y 260°C,y han sido identificados como muy prometedores, ya que para estas aplicaciones, los sistemas de colectores solares de concentración y sistemas hidráulicos resultan ser más sencillos y menos costosos.

Existe poco o nulo ámbito de aplicación solar para sistemas industriales tanto a nivel científico como a nivel empresarial, debido a barreras en la capacidad local de absorción o transferencia tecnológica. Por tanto, existe una gran necesidad de realizar investigación aplicada, que permita desarrollar conocimiento general sobre aplicaciones solares de gran impacto económico y ambiental como son las aplicaciones de calor en procesos industriales. (Brunner, et al., 2008).

SITUACION IIIExiste en el país, y sobre todo en zonas rurales, un enorme número de

centros productivos de derivados lácteos, y en especial de queso, que realizan procesos productivos sin considerar los estándares sanitarios mínimos exigidos por las regulaciones nacionales de salud pública. Estos estándares sanitarios, centran su obligatoriedad en una serie de procesos de producción normados, relacionados a mantener el adecuado nivel de inocuidad dentro de las instalaciones, y realizar procesos de tratamiento térmico, tal como es la pasteurización en el caso de producción de quesos. El proceso de pasteurización demanda uso de energía de alta potencia, que involucra inversión en tecnologías para realizar este proceso e incrementar los costos de producción por el componente energético. Sin embargo, en zonas rurales, existe escaso acceso a energía. La energía solar, se convierte en una alternativa de alta expectativa, debido a su fácil acceso y su carácter renovable.

DISEÑOEl diseño conceptual del sistema de pasteurización,

diseñado y construido para el proyecto, está compuesto por 4 subsistemas:

Un subsistema de captación de energía solar,

Un subsistema de calentamiento de alta potencia (resistencia eléctrica),

Un sistema de almacenamiento de energía,

Un subsistema de provisión energética al proceso productivo de pasteurización o tratamiento térmico.

Figura 1: Diseño conceptual del sistema de pasteurizaciónFuente: Elaboración propia. (Solicitud modelo utilidad 1230/2014, Indecopi-Perú)

SUBSISTEMA DE CAPTACION DE ENERGIA SOLAREstá compuesto por un sistema tradicional de

colectores solares de placa plana (1). Este sistema, provee energía de baja potencia al tanque de almacenaje de agua caliente o fluido térmico, a través de un intercambiador de calor de espiral (3). En este caso el fluído caloportador es una solución de propilenglicol para evitar congelamientos durante temporadas frías. Esta solución es impulsada por la bomba (2).

SUBSISTEMA DE CALENTAMIENTO DE ALTA POTENCIA

Compuesto por un sistema calefactor basado en esta caso por resistencias eléctricas (4). Este sistema, provee energía de alta potencia al tanque de almacenaje de agua caliente o fluido térmico, y sirve como un “corrector” de la temperatura en el nivel 1 del tanque, el cual contiene el fluido térmico que será integrado al proceso de pasteurización o tratamiento térmico.

SUBSISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE ENERGIACompuesto por un tanque de almacenamiento (6) que

contiene en este caso agua. El tanque puede estar opcionalmente presurizado. Si el tanque es presurizado requiere de dispositivos de protección de cambios de volumen debido a cambios de temperatura o fase del fluido (8). Si el tanque no es presurizado, requiere utilizar un fluido cuya temperatura de ebullición no sobrepase la temperatura de trabajo del sistema más un margen de seguridad.

SUBSISTEMA DE PROVISION ENERGETICA AL PROCESO PRODUCTIVO DE PASTEURIZACIONConsta de un intercambiador de calor del tipo tubo y carcaza,

cuyo diseño se basa en el intercambio de calor agua - leche en contracorriente. El detalle se encuentra protegido por la solicitud de modelo de utilidad 1230/2014 Indecopi.

El agua caliente almacenada en el tanque (6) es pasada a través del intercambiador de calor, junto con la leche. Por tanto, la temperatura de agua será la máxima del tanque en la parte superior del mismo. Esta temperatura se convierte en el punto crítico del control del proceso. Si el tanque no alcanzó la temperatura mínima necesaria para asegurar una pasteurización a 72°C, el proceso no puede iniciarse.

PARAMETROS DE CALCULOTIEMPO DE PROCESO: VELOCIDAD DE LA LECHE EN EL ANULO DEL INTERCAMBIADOR DE CALORDo = 0.20m, Di = 0.15mQ = caudal = 5 lt/min = 5 dm3/60s = 8.3333*10-5 m3/seg; , →TIEMPO DE PARTICULA DE LECHE EN EL INTERCAMBIADOR

Tiempo en el deposito de retención = 1min Total 4.3min→AREA DEL SERPENTIN DEL INTERCAMBIADOR DE CALORDe = Diametro exterior de la espira, Di = Diametro interior de la espiraDm = Diametro medio de la espira, le = longitud circunferencial, de = diámetro de tubo, N= numero espiras

CALCULO DEMANDA ENERGETICA PARA PASTEURIZACIONρ= 1032 Kg/m3; V=0.3 m3; Cp=3850Kg/Kg-K; Tsal = 75°C; Tin= 15°C

CALCULOS DE TRANSFERENCIA DE CALORCALCULO DE PERDIDA DE CALOR EN EL TANQUE

Diac = 0.70m, Diametro interior del tanque de almacenamiento de agua caliente

riac=0.350m, Radio interior del tanque de almacenamiento de agua caliente

Hi = 1.86m, Ho=1.86m, Altura del tanque interior

Deac=0.708m, Diametro exterior del tanque de almacenamiento de agua caliente

Diais=0.708m, Diametro interior del aislamiento tanque de almacenamiento de agua caliente

Deais=0.870m, Diametro exterior del aislamiento del tanque de almacenamiento de agua caliente

reais=0.435m; Kac=80w/m-K, Conductividad termica del fierro; Kais=0.1 W/m-K, conductividad térmica del aislamiento

Calculo del coeficiente de transferencia de calor interior (agua) hi a 52°CFluido estático, ecuaciones de convección libre, asumiendo temperatura de pared a 45°C

Propiedades a 50°C: K=0.644W/m-K, ρ=988.1 Kg/m3, u=0.547*10-3 Kg/m-s, Pr=3.55, β=0.451*10-3 K-1ν = µ/ρ, también Lc = 1.86m Ecuacion de Raylegh

Ra =

Nu =

→

Calculo del coeficiente exterior del tanque pared, aire a 15°CComo el tanque esta en un ambiente cerrado sin circulación de aire, tomamos convección naturalasumiendo la pared del tanque a 18°C

Propiedades a 16.5°C: Cp = 1007 J/Kg-K; K=0.02495 W/m-K; ν=1.493*10-5 m2/s, Pr=0.7316Utilizando también (3) y (4) ecuación de rayleigh y nusselt

→

En (2) Uo=0.72614 W/m2-K→

Calculo del coeficiente exterior del tanque tapa, aire a 15°C

Caso pared caliente arriba calculamos el hi del agua. a 52°CFluido estático, ecuaciones de convección libre, asumiendo temperatura de pared a 45°C

Propiedades a 50°C; K=0.644W/m-K; ρ=988.1 Kg/m3; u=0.547*10-3 Kg/m-s; Pr=3.55; β=0.451*10-3 K-1

→ hi = 208 W/m2-KCaso pared caliente abajo calculamos el ho del aire a 15°Casumiendo la tapa del tanque a 18°C

Propiedades a 16.5°C; Cp = 1007 J/Kg-K; K=0.02495 W/m-K; ν=1.493*10-5 m2/s; Pr=0.7316

En (6)

ENERGIA A UTILIZAR DIARIAMENTE

Perdidas por tuberías 10% del valor anterior

Qt = 19.9+3.7056+0.37056= 23.976 KWh por día

ENERGIA A UTILIZAR DIARIAMENTEQt = 24 KWh por día

DIMENSIONAMIENTO DEL REQUERIMIENTO DE AGUA CALIENTE COMO FLUIDO DE ALMACENAMIENTO DE ENERGIAPara pasteurizar se necesita 19.9KWh/día*(3600s/1hr)= 71640KJ/día=72000 KJ/día

Ti,leche=15°C y Tf,leche= 75°C; Ti,agua caliente= 85°C y Tf, agua caliente= 40°C

magua caliente=382.8 Kg; V = 389.88 litros considerando densidad 981.85Kg/m3; Por estabilidad volumen del tanque Vt = 2V= 780 litros →

Asumimos Vt = 750 lt CALCULO TEMPERATURA FINAL DEL TANQUE CON AISLAMIENTO De acuerdo a proyectistas las perdidas de energía del tanque en el día es 6.5 (Kwh) equivalente a 23400 KJ

→

→ Tf,tanque = 57.5°C

DIMENSIONAMIENTO DE LOS COLECTORES DE PLACA PLANA

Requerimiento térmico según proyectistas por día 26KWh/día = 93600 KJ/díaTomando características de curva del colector tipo FP 1.20.0 F

Para una irradiación solar de 700W/m2 con ambos datos se obtiene una eficiencia de la curva de 30%.Para cubrir el 75% de la demanda, 26KWh*.75 = 18.75KWh y asumiendo la radiación anual de 2130 KWh/m2-año = 5.84KWh/m2-dia

A =

Cada panel tiene un área de 1.81m2, por lo tanto

→ Asumimos 6 colectores de placa plana FP 1.20.0 F o Magnus

CALCULO DEL AREA DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR

El agua caliente circula por la tubería interior del serpentín y la leche por la sección anular exterior al serpentín

El sistema anulo-serpentin , los fluidos estarán en contraflujo

Para calcular UoAo

CALCULO DE hi LADO DEL AGUA CALIENTE Y DEL ho LADO DE LA LECHEDATOS DEL INTERCAMBIADOR DE CALORDi = 9.44mm; Do = 12.70mm; esp = 1.65mm; DDi = 6” = 0.1524m; DDo = 8” = 0.2032mK304 = 15.1 W/m-K, N = 55 espirasTemperaturas del agua: Ti = 85°C; Tex = 40°C Tp = 62.5°C Cp = 4186 J/Kg-K →ρ = 981.9 Kg/m3Temperaturas de la leche: ti = 15°C, tex = 75°C tp = 45°C Cp = 3850 J/Kg-K→ ρ = 1032 Kg/m3V = 5lt/min = 300lt/hr = 0.083333lt/s m =ρ V = 0.086 Kg/s→ Determinación del flujo de masas de agua caliente, →→

→

Determinación del coeficiente pelicular del agua caliente hi Tm = 62.5°C K = 0.6565W/m-K, ρ = 981.9 Kg/m3 , u = 0.450*10-3 Kg/m-s, Pr = 2.87

Utilizando la ecuación de Seban y Mclaughlim, para flujo turbulento, Di = 9.44mm, DH=177.5mm diámetro de la espira

Determinación del coeficiente pelicular de la leche hoCaso de flujo exterior a una tubería cruzada, Velocidad media de la leche en el anulo: Temperatura media de la leche tm = 45°C, Temperatura media del agua caliente = 62.5°CAsumiendo como temperatura exterior del tubo de acero inoxidable Twe = 60°CTemperatura de película

De diferentes tablas propiedades de leche entera: Cp= 3893 J/Kg-K, K = 0.61W/m-K, ρ = 1006.95 Kg/m3 , u = 0.563*10-3 Kg/m-s, Pr = 3.593715757, ν = 5.591141*10-7 m2/sAsumiendo como un banco de tubos de una sola fila y 55 columnasPaso transversal ; Paso longitudinal SL= 0.0093mCalculo de velocidad máxima

Uo

El área exterior del serpentín es de 1.78m2

ENSAYOSCONSIDERACIONES INICIALES

Antes de realizar el balance térmico del sistema y el cálculo de la eficiencia del mismo, es necesario indicar que en pruebas de campo anteriores, cuyos resultados escapan al objetivo del presente artículo, se demostró el cumplimiento de los parámetros de proceso del intercambiador de calor, con respecto a las consideraciones del diseño de detalle.

De este modo, para un proceso típico, donde se cuenta con agua adecuadamente calentada por mas de 85°C, se obtienen los siguientes parámetros de proceso.

PARAMETROS DE PROCESO

IndicadoresParámetros de

proceso según diseño

Temperatura mínima pasteurización S5 (°C)

72

Capacidad de planta (litros) 300

Tiempo máximo de proceso para 300 litros (minutos)

60

Caudal requerido para impulso de leche Ql (l/min)

5

ΔT caliente (°C) (Tia – Tfl). (*) 10-15

Estos resultados demostraron que, si la temperatura de pasteurización es de 72°C, la temperatura de agua caliente deberá ser de 85°C en promedio.

DESCRIPCION DE LOS ENSAYOSSe realizaron pruebas de campo durante 6 días entre el 10 y 15 de agosto 2014.

Dichas pruebas consistieron en realizar mediciones y cálculos de los flujos energéticos de entrada y salida del sistema.

Los flujos de entrada del sistema son:

Energía recibida a partir de colectores solares

Energía recibida a partir de la fuente de calentamiento de respaldo: resistencias eléctricas

Los flujos de salida del sistema son:

Energía entregada al proceso

Pérdidas por emisión de calor al ambiente, a través de paredes y tuberías del sistema

Otras pérdidas: Energía utilizada para la puesta a punto del sistema, pérdidas por calentamientos de agua para otros usos, o tiempos muertos de funcionamiento del sistema de captación de energía solar. (debido a secuencias de operación del controlador solar utilizado)

MEDICION DEL FLUJO ENERGETICOSe utilizó un piranómetro calibrado. Se realizaron

mediciones cada 5 minutos durante los 6 días y se realizaron las respectivas contrucciones de curvas de radiación diarias.

Para el cálculo de la energía neta entregada al sistema, se realizó el cálculo de la energía total recibida en los colectores, y se multiplicó por la eficiencia de los mismos, tomando en cuenta la comparación de temperaturas de los colectores vs la temperatura del ambiente. La Eficiencia se calculo en base a la curva de eficiencia según las características técnicas de los colectores usados.

-Resistencias eléctricas, se decidió tomarlas como variables fijas, es decir, se les asigno un tiempo de trabajo diario fijo durante las pruebas. El flujo energético se calculó en base a la potencia de las mismas.-Para la energía entregada al proceso, se realizó un cálculo del requerimiento energético a partir de las temperaturas de entrada y salida, tanto del agua caliente como de la leche. Así mismo, se utilizó la cantidad procesada, así como los flujos másicos para determinar finalmente la energía entregada. En caso de las pérdidas de calor a través de paredes y tubería del sistema, se tomó el valor calculado en el desarrollo de la ingeniería de detalle. Finalmente, las otras pérdidas fueron calculadas comparando la sumatoria de los flujos energéticos antes mencionados, versus un balance térmico del sistema basado en los cambios de temperatura del tanque de almacenamiento durante un ciclo de trabajo.

RESULTADOS

Figura 2: Curva recurso solar 11/08/2014

Figura3: Flujos energéticos de entrada y salida del sistema térmico, día 2 de pruebas de campo

RESULTADOSLa energía total recibida el día 11/08/2014 fue de 3.1 kwh/m2, ó

34.2 kwh x los 10.86 m2 del área total del tanque. Si multiplicamos por una eficiencia de 50% (de acuerdo a las temperaturas del colector) nos da un aporte de energía neta de 17.1 kwh.

Ese día se obtuvo un aporte bruto de energía solar de 34.19 kwh y un aporte bruto de resistencias eléctricas de 6 kwh. (en total 40.2 kwh), siendo la demanda real del proceso 6.9 kwh. Para este proceso, se realiza el cociente entre energía de proceso, y energía bruta colectada de forma total. Este cálculo arroja una eficiencia térmica global del sistema de 17%. Los balances energéticos correspondientes a los demás días de prueba de campo, indican que dicha eficiencia puede incrementarse hasta un 21 %.

DíaEnergía real de proceso

Energía bruta recibida en

colectores (Kwh)

Energía bruta entregada al sistema (resistencia) (KWH)

Eficiencia térmica

global (%)

DIA 2 6.9 34.2 6 0.17

Figura 4 : Aporte energético solar al sistema térmico

RESULTADOS-Para el cálculo del aporte solar simplemente tomamos en cuenta el % de energía bruta recibida en colectores solares y la energía bruta entregada por el sistema de respaldo de resistencias. El aporte energético es realizado en una relación de 75% a 25%, siendo la energía solar la fuente mayoritaria. Cabe recordar, que una energía de 6.9 kwh, representa la pasteurización HTST de 131 litros de leche de 23 °C a 72°C.

-Cálculos posteriores prueban que un aporte de energía solar mayor a 70% pueden lograrse hasta en caso de una pasteurización de 300 litros de leche, considerando una temperatura inicial de leche de 23°C, una irradiación diaria mayor a 5.1 kwh / m2, así como un funcionamiento óptimo del sistema solar térmico.

CONCLUSIONES-Los resultados muestran que el sistema solar térmico tiene una eficiencia térmica global de 17 a 21%. El % de aporte solar es variable en función a la demanda energética del proceso y las condiciones de irradiación en el ambiente. Los cálculos para las pruebas de campo indican, que un aporte solar de más de 70% puede ser alcanzado a una capacidad máxima de planta (300 litros diarios), cuando la irradiación global diaria supera 5.1 kwh/m2 (valor promedio anual para la zona de Arequipa), cuando la T° inicial de leche a pasteurizar es de 23°C, y cuando el sistema solar mantiene un funcionamiento óptimo.

Ing. Antonio García Velásquez - agarcia@eltaller.org.peEl Taller Asociación de Promoción y Desarrollo - ArequipaMSc. Ing. Arturo Alatrista Corrales - arturo.alatrista@gmail.comUniversidad La Salle - ArequipaMSc. Ing. Pedro Bertín Flores Larico - pfloresl1956@gmail.com, pfloresl@unsa.edu.peUniversidad Nacional San Agustín de Arequipa, cer-ee-unsa

¡¡MUCHAS GRACIAS¡¡