Alatrista balance termico de un

BALANCE TERMICO DE UN SISTEMA DE PASTEURIZACION
HTST DE LECHE CON APORTE MAYORITARIO DE ENERGIA
SOLAR
Ing. Antonio García Velásquez - agarcia@eltaller.org.pe
El Taller Asociación de Promoción y Desarrollo - Arequipa
MSc. Ing. Arturo Alatrista Corrales - arturo.alatrista@gmail.com
Universidad 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.

SITUACION
De 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 II
Sectores 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 III
Existe 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.

DISEÑO
El 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
SOLAR
Está 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 ENERGIA
Compuesto 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 PASTEURIZACION
Consta 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 CALCULO
TIEMPO DE PROCESO:
VELOCIDAD DE LA LECHE EN EL ANULO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
Do = 0.20m, Di = 0.15m
Q = 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 CALOR
De = Diametro exterior de la espira, Di = Diametro interior de la espira
Dm = Diametro medio de la espira, le = longitud circunferencial, de = diámetro de tubo,
N= numero espiras
CALCULO DEMANDA ENERGETICA PARA PASTEURIZACION
ρ= 1032 Kg/m3; V=0.3 m3; Cp=3850Kg/Kg-K; Tsal = 75°C; Tin= 15°C

CALCULOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
CALCULO 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°C
Fluido 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
ν = µ/ρ, también Lc = 1.86m
Ecuacion de Raylegh
Ra =
Nu =
→

Calculo del coeficiente exterior del tanque pared, aire a 15°C
Como el tanque esta en un ambiente cerrado sin circulación de aire, tomamos convección
natural
asumiendo 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=0.7316
Utilizando 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°C
Fluido 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-K
Caso pared caliente abajo calculamos el ho del aire a 15°C
asumiendo 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 DIARIAMENTE
Qt = 24 KWh por día

DIMENSIONAMIENTO DEL REQUERIMIENTO DE AGUA CALIENTE COMO FLUIDO
DE ALMACENAMIENTO DE ENERGIA
Para 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/día
Tomando 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 LECHE
DATOS DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
Di = 9.44mm; Do = 12.70mm; esp = 1.65mm; DDi = 6” = 0.1524m; DDo = 8” =
0.2032m
K304 = 15.1 W/m-K, N = 55 espiras
Temperaturas del agua: Ti = 85°C; Tex = 40°C Tp = 62.5°C Cp = 4186 J/Kg-K→
ρ = 981.9 Kg/m3
Temperaturas de la leche: ti = 15°C, tex = 75°C tp = 45°C Cp = 3850 J/Kg-K→ ρ
= 1032 Kg/m3
V = 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 ho
Caso 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°C
Asumiendo como temperatura exterior del tubo de acero inoxidable Twe = 60°C
Temperatura 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/s
Asumiendo como un banco de tubos de una sola fila y 55 columnas
Paso transversal ; Paso longitudinal SL= 0.0093m
Calculo de velocidad máxima

Uo
El área exterior del serpentín es de 1.78m2

Alatrista balance termico de un

ENSAYOS
CONSIDERACIONES 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
Indicadores
Parámetros 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 ENSAYOS
Se 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 ENERGETICO
Se 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

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

RESULTADOS
La 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 %.

Día
Energía 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

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.pe
El Taller Asociación de Promoción y Desarrollo - Arequipa
MSc. Ing. Arturo Alatrista Corrales -
arturo.alatrista@gmail.com
Universidad La Salle - Arequipa
MSc. Ing. Pedro Bertín Flores Larico -
pfloresl1956@gmail.com, pfloresl@unsa.edu.pe
Universidad Nacional San Agustín de Arequipa, cer-ee-
¡¡MUCHAS
GRACIAS¡¡

Alatrista balance termico de un

Más contenido relacionado

La actualidad más candente (20)

Similar a Alatrista balance termico de un (20)

Más de ASOCIACION PERUANA DE ENERGIA SOLAR Y DEL AMBIENTE (20)

Último (20)

Alatrista balance termico de un