Intercambiadores de calor y fluidos térmicos en la industria procesadora de alimentos

Intercambiadores de calor

El intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos o más fluidos (líquidos, vapores o gases). Según el tipo de intercambiador que se utilice, dicha transferencia puede ser de gas a gas, de líquido a gas o de líquido a líquido. Cuando la transferencia térmica se produce entre dos líquidos, se emplea un separador sólido para evitar la mezcla de los fluidos. Otras características en el diseño que podrían afectar la funcionalidad de un intercambiador de calor son la estructura, los materiales y componentes, el mecanismo de transferencia térmica y las configuraciones del flujo. En general, estos dispositivos de regulación térmica se utilizan en diversas industrias, entre ellas la gestión de aguas residuales, la refrigeración, la refinación de petróleo y la energía nuclear. Los intercambiadores de calor que emplean una transferencia de energía de fluido a fluido también deben cumplir con regulaciones estrictas establecidas por la Administración de Medicamentos y Alimentos (FDA) de los Estados Unidos y la NSF International, en relación con el tipo de fluido térmico utilizado para garantizar que no exista riesgo de contaminación o daño hacia el consumidor. En esencia, los intercambiadores de calor se diseñan de acuerdo con los principios generales de termodinámica, pero se pueden personalizar y especializar según las necesidades y funciones de los distintos usuarios.

Conducción

Los procesos térmicos empleados por los intercambiadores de calor en la industria alimentaria pueden dividirse en dos mecanismos principales de transferencia térmica denominados conducción y convección. La conducción es el movimiento de calor entre los materiales que están en contacto directo entre sí. Dicho movimiento se cuantifica observando una variación en la temperatura de los dos materiales. La temperatura es una medida del promedio de energía cinética que tienen las moléculas que conforman un material específico. Cuanto mayor sea el calor del material, mayor será su movimiento molecular (energía cinética), por lo que presentará una temperatura más elevada. Cuando un objeto más caliente entra en contacto con otro más frío, se produce una transferencia de energía térmica entre ambos materiales. El objeto más frío recibirá más energía y sus moléculas comenzarán a moverse más rápido. Mientras tanto, el material más caliente comenzará a disminuir su temperatura debido a la pérdida de energía. Esta transferencia térmica entre ambos materiales continuará hasta alcanzar un equilibrio térmico. La conducción en un intercambiador de calor se produce al utilizar un fluido de transferencia térmica para regular y equilibrar la temperatura de un producto alimentario líquido. En general, los fluidos de regulación térmica, como el agua o el aceite, poseen una baja conductividad térmica, que limita su capacidad de transferencia de calor. Recientemente, se han incorporado tecnologías de nanopartículas para la conducción térmica de fluidos de transferencia de calor de modo de aumentar su conductividad térmica y favorecer una transferencia térmica más eficiente. En caso de que el producto alimentario requiera mayor temperatura, el fluido térmico podrá calentarse fácilmente hasta lograr una temperatura más elevada para que ambos fluidos alcancen un equilibrio.

Convección

La convección es el segundo método de transferencia térmica que emplea un intercambiador de calor para regular la temperatura de un material. La convección define la transferencia de energía térmica mediante el movimiento de un fluido (líquido o gas) que se produce en áreas de diferentes temperaturas. La mayoría de los fluidos se expanden al calentarse, pierden densidad y comienzan a ascender. Cuando los fluidos se enfrían, aumentan su densidad y comienzan a descender. Por ejemplo, cuando se calienta el aire de un ambiente, éste asciende al cielorraso y obliga al aire más frío y denso a descender. Luego, el aire frío se calienta, comienza a ascender y reemplaza al aire ahora más frío y denso que se encuentra en el cielorraso. La dinámica generada por dicho proceso se denomina corriente de convección natural. La convección también puede ser forzada o asistida. Este método de convección se utiliza al bombear agua caliente a través de un conducto, como un sistema de calefacción hidrónica.