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Calculando la energía necesaria para enfriar la leche
Necesidades de enfriamiento de la leche
El proceso de enfriamiento de leche en las granjas consume la proporción más grande de la energía total consumida (el 30 % con datos de California). Enfriar la leche inmediatamente después de su ordeño se vital para mantener altos niveles de calidad hasta que el fluido sea consumido o usado para fabricar otros productos lácteos.
La leche cruda para pasterización debe enfriarse a 10 ºC (50 ºF) o
menos, en menos de cuatro horas desde el comienzo del primer ordeño, y a
7 ºC (45 ºF) o menos dentro de las dos horas después de finalizar el
ordeño. La temperatura de la mezcla de la leche entre el primer y
subsiguientes5 ºF ordeños no excede de 10 ºC (50 ºF).
.
.
La temperatura típica de la leche tras su ordeño es
de 37 ºC (99 ºF), y si va a llevarse a un punto lejano debe enfriarse a 7
ºC (45 ºF). Para alcanzar esta temperatura debemos extraer
aproximadamente 23,50 kcal por cada kg de leche. Parte de este calor
puede perderse cuando la leche se transporta desde la vaca al lugar de
enfriamiento.
ENFRIAMIENTO DE LA LECHE
Dos procesos son utilizados para enfriar la leche:
Expansión directa:
Es el sistema mediante el cual las placas del evaporador se incorporan a
la parte inferior de un tanque de almacenamiento en contacto directo
con la leche. El líquido refrigerante se expande en el interior del
evaporador y enfría la leche. Se utilizan agitadores sobre las placas
del evaporador para mejorar el enfriamiento. En este proceso hay límites
por el área superficial refrigerada y la capacidad para quitar calor lo
bastante rápido (kcal/hr) para cumplir con los altos requerimientos
exigidos para el enfriamiento de la leche. La capacidad para quitar
calor de la leche con rapidez (kcal/h) solamente es posible reduciendo
la temperatura de la superficie del evaporador al punto donde puede
ocurrir la congelación. Esto es
un desafío cuando la temperatura de la leche se aproxima a 3 º C (38
ºF). La agitación de la leche durante largos periodos puede perjudicar
la calidad de la leche.
El
inconveniente de la expansión directa es que el sistema no puede
enfriar la leche lo suficientemente rápido cuando entra en el tanque.
Transcurre un tiempo hasta que el sistema puede enfriar la leche hasta
los 7 ºC.Con vacas que se están ordeñando hasta 22 horas al día, este sistema de enfriamiento no puede ser utilizado.
Enfriamiento instantáneo
El enfriamiento instantáneo se realiza donde el enfriamiento de la leche se completa en el exterior del depósito de almacenamiento o silo y luego se bombea para su almacenamiento. En vez de expansión directa, para enfriar la leche se usa un intercambiador y usa un fluido de refrigeración intermedio, tal como agua fría o una mezcla de agua glicolada.
SELECCIONANDO EL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO MÁS EFICIENTE
El ciclo de refrigeración mecánico usado en los sistemas de expansión directa es el que vemos en la siguiente figura, y cada ciclo se caracteriza por su eficiencia.
La eficiencia de un sistema de refrigeración viene dado en términos de EER (Energy Efficiency Ratio), y hay muchos factores que impactan en el EER, y que debemos tener en cuenta a la hora de seleccionar el sistema de enfriamiento de leche más conveniente.
Un factor importante a tener en cuenta es la relación entre las presiones del lado de baja y de alta presión del ciclo. EER decrecerá cuando la diferencia entre estas dos presiones se incrementa. Para maximizar el EER se necesita mantener la presión del lado de baja lo más alta que sea posible y la presión del lado de alta lo más baja posible. Todos estos factores deben ser considerados cuando se selecciona un equipo de refrigeración. Veremos posterioremente otros factores a tener en cuenta.
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| Esquema de un sistema de refrigeración mecánica |
El compresor de refrigeración más común usado en las granjas actuales es el recíproco, ya sea de tipo abierto, hermético o hermético accesible.
Condensadores
El gas refrigerante condensa en el condensador quitándole calor. Hay dos tipos de condensadores, los refrigerados por aire y los refrigerados por agua. Si el condensador es una parte integral del compresor en una plataforma común, la unidad se llama unidad de condensación. Los condensadores pueden también montarse remotos al compresor.
Los condensadores refrigerados por agua operan bajo los mismos principios que los de aire, son más pequeños en tamaño y ofrecen un EER mayor que los condensadores refrigeradso por aire.
Los condensadores de tubos y carcasa enfriados por agua se usan comúnmente en las granjas.
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| Ejemplo de condensador refrigerado por agua |
Generalmente, los sistemas de enfriamiento agua son menos eficientes que los sistemas de expansión directa. El motivo de una eficiencia más baja es la presión de succión más baja para alcanzar las temperaturas del evaporador más bajas inherentes a los sistemas de enfriamiento instantáneo y la energía requerida para mover el agua/glicol hacia el intercambiador de calor.
Intercambiadores de calor para enfriar leche
Loz intercambiadores de calor usados para enfriar leche están hechos de acero inoxidable y están diseñados para ser abiertos para limpieza. Desde hace veinte años ha estado disponible un intercambiador de calor que parcialmente enfría la leche antes de entrar en un sistema de enfriamiento de expansión directa o un enfriador instantáneo.
El uso de un intercambiador para preenfriar la leche como medida de ahorro energético es común en grandes granjas, y más recientemente el tipo de intercambiador dominante es el de placa.
ÍNDICES DE UTILIZACIÓN DE ENERGÍA EN ENFRIAMIENTO DE LECHE
El uso de energía de un sistema de enfriamiento de leche bien mantenido y sin medidas de conservación de la energía es de 1,76 - 2,65 kWh por cada 100 kg de leche fría. el enfriamiento parcial de la leche permite conseguir un ahorro de 0,44 - 0,66 por cada 100 kg de leche fría. Instalando un variador de frecuencia variable conseguiremos disminuir adicionalmente 0.44 kWh por cada 100 kg de leche fría. La reducción actual en el uso de energía será dependiente de la temperatura del agua sin enfriar, del caudal del agua y de la efectividad del variador de frecuencia para reducir el caudal de leche a través del intercambiador.
VARIADOR DE FRECUENCIA VARIABLE PARA BOMBAS DE LECHE
Como indicábamos en la primera parte de este artículo, en los equipos
convencionales, el caudal de leche durante el ordeño de una bomba de
leche puede variar desde cero a 25 - 50 gpm (95 - 190 l/min). En una
sala de ordeño con dos bombas de leche, las bombas pueden operar un 10 -
25 % del tiempo mientras las vacas de un lado se están ordeñando. Esto
significa que no hay leche fluyendo a través del intercambiador de calor
un 75 - 90 % del tiempo y el caudal durante el otro 10 - 20 % del
tiempo será alto. Ésta no es una forma eficiente de operar un
intercambiador de calor. En el agua del pozo o el agua fría del lado
glicol-agua del intercambaidor de calor el caudal necesario srá 50 - 100
gpm durante un 10 al 20 % del tiempo. Esto es difícil.
El control del variador de frecuencia variable está compuesto normalmente por una serie de interruptores de lengüeta montados en una sonda de acero inoxidable hueca. Dependiendo de la longitud de la sonda, se posicionan dos o cuatro interruptores de lengüeta a lo largo de la sonda en localizaciones apropiadas.
Usando un código binario, la salida de frecuencia del VFD (variador de frecuencia), y así la velocidad de la bomba, pueden controlarse según que relés estén cerrados (uno) o abiertos (cero). El VFD puede programarse para proporcionar diferentes velocidades, y el objetivo es que la bomba opere a la velocidad más baja posible el mayor porcentaje de tiempo.
Pero hay que ser cuidadoso cuando se ajusta la velocidad a su nivel más bajo. Casi todas las bombas receptoras son centrífugas (el reparto varía con la altura de presión y las rpm) en oposición a las bombas de desplazamiento positivo en las que el reparto de fluido tiene una velocidad lineal y no queda afectada por la presión de descarga. En las bombas centrífugas, a cierta combinación de presión total y rpm de la bomba, el caudal para. La presión total es la suma de la presión de succión, entre 0.4 y 0.5 bares, y la presión de descarga que incluye la altura vertical al punto de descarga o altura de la leche en un silo, la pérdida de presión en el filtro, la fricción del intercambiador de calor y la tubería. El rendimiento de la bomba va variando a diferentes velocidades del VFD. La bomba tiene unas características diferentes durante la aceleración y la ralentización.
Otra cuestión que debe considerarse es la agitación de la leche en el interior de la bomba de leche a bajas velocidades.
Veamos un ejemplo:
Cuando la bomba está operando a velocidad nominal (el impulsor está girando a unos 3450 rpm) la velocidd de reparto es de 20 gpm (galones por minuto). Para cada galón de leche transmitida el impulsor gira 172 veces. A baja velocidad el reparto es de menos de 4 gpm pero la velocidad es de 2400 rpm. Ahora el impulsor gira 600 veces por galón o más que tres veces la agitación. El impacto de esta agitación adicional no está estudiad a.
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