Prerrefrigeración I- Enfriamiento por Vacío (Vacuum Cooling)

Prerrefrigeración por Vacío (Vacuum Cooling)

Consiste en vaporizar, mediante vacio, parte del agua de constitución del producto, debido a lo cual,  éste cede el calor de vaporización disminuyendo su temperatura (enfriamiento).

Proceso de enfriamiento. Principios físicos

La disipación del calor de campo tiene lugar por transmisión de masa en régimen variable, desde el producto al medio ambiente.La transferencia se origina como consecuencia del descenso de la presión hasta alcanzar la tensión de saturación correpondiente a la temperatura final que se desea obtener.

La mayor parte del agua se vaporiza en la superficie del producto de forma que el descenso de la temperatura superficial origina un gradiente de temperaturas y el consiguiente flujo de calor por conducción desde el interior hacia la superficie del producto.

En esencia la instalación en la que se realiza el enfriamiento consta de un recinto estanco aislado térmicamente y del equipo de producción de vacio. Si observamos la figura 5 tenemos que;

- inicialmente, existe aire húmedo en las condiciones de presión y temperatura ambiente   (punto A)  y el producto se supone en equilibrio térmico con él.

- comienza a realizarse el vacio, el aire húmedo se va enrareciendo, a temperatura  constante, hasta que la presión alcanza la el valor de la tensión de de vapor de agua que  corresponde a la temperatura del producto (punto B). En ese instante empieza la  ebullición (flash point) de una parte del agua contenida en el producto, principalmente a  nivel de superficie.

- la pequeña cantidad de aire húmedo existente en el recinto queda practicamente  desplazada por vapor de agua (punto C) . 

 

- el proceso continua en una atmósfera de vapor saturado, la presión sigue descendiendo y la temperatura desciende según la curva de equilibrio líquido-vapor (figura 6). hasta alcanzar la tensión de saturación preestablecida (punto D). 

- a continuación y durante un tiempo se mantiene la presión con el fin de conseguir una   temperatura homogénea en todo el producto.

La temperatura de la superficie desciende teóricamente de manera idéntica con la del recinto, siempre que el gradiente de presiones entre ambos sea despreciable, no existan ganancias de calor y pueda considerarse nula la evaporación del agua antes de que se alcance el punto de ebullición.

En el interior del producto el gradiente de temperaturas evoluciona en función de las características termofísicas del producto y de la intensidad de vaporización del agua.

La velocidad de enfriamiernto dependerá;

- relación superficie - volumen del producto 

- de la porosidad de los tejidos y de la permeabilidad de la piel (capacidad de intercambio
  gaseoso del producto)

En cualquier caso , el enfriamiento puede intensificarse reduciendo al presión hasta valores que correspondan a temperaturas de saturación próximas a -3ºC a costa de incurrir en el riesgo de producir daños por congelación además de un mayor gasto de energía de bombeo. Otro procedimiento muy utilizado consiste en humedecer el producto previamente acelerando el proceso y reduciendo las pérdidas de peso.

Puesto que el agua es el único agente que actúa como refrigerante la potencia calorífica extraida (Q) depende de la cantidad de agua vaporizada por unidad de tiempo (dM/dT) y del calor latente de vaporización (λ) de manera que:

Q= (dM/dτ)· λ   [1]

Suponiendo que no existan ganacias de calor en el recinto, el calor disipado en la superficie del producto implica la disminución de la entalpia del mismo, que podemos expresar por:
 

Q= dH/dτ = C·M· (dΤ/dτ)  [2]

 Agrupando variables en [1] y [2] e integrando entre las condiciones iniciales y finales:

[3]
      

 Resolviendo [3], supuesto C  y  λ constantes, tenemos:

∆T*= -λ/C ln·(1-∆M/M₀)         [4]

Ecuación que nos la la disminución de la temperatura media del producto (∆T*) en función de las pérdidas de peso (∆M/M₀) expresadas en tanto por uno debido a la vaporiazación del agua. En la figura 7 se representa gráficamente la expresión [6] para valores de C=4kj/kg·ºC y  λ =2.466 kJ/kg. Según [4] para una pérdida de agua del 1 por 100 ( ∆M/M₀=0.01) tenemos una disminución de la temperatura media del producto de aproximadamente 6.2ºC. Valor que está de acuerdo con los obtenidos experimentalmente, por varios autores, en el enfriamiento por vacío de diferentes productos vegetales.  

La duración normal del ciclo  de enfraimiento suele ser del orden de 20 a 22 minutos como mínimo y de 25 a 30 minutos como tiempo medio. Siendo necesarios de 5 a 8 minutos para alcanzar el punto de ebullición y aproximadamnete 15 minutos más para el enfriamiento propiamente dicho del producto.   

  

Sistemas de prerrefrigeración por vacio

Un prerrefrigerador por vacío, vacuum cooler, consta, básicamente de un recinto estanco y aislado térmicamente, conectado a un equipo de vacío. El recinto suele tener forma de cilindro o paralelepípedo normalmente construido con chapa de acero de espesor suficiente (15 a 20mm) para resistir la depresión de una atmósfera.

 Las dimensiones interiores suelen estar adaptadas a tarimas normalizadas y hoy en día se fabrican en series con capacidades de carga que oscilan entre 1 tarima de lechugas aproximadamente 300kg de producto, hasta 12 tarimas lo que supone más de 3.5Tn de mercancia.

El equipo de vacío extrae el aire húmedo que inicialmente existe en el recinto, de manera que una vez alcanzado el punto inicial de ebullición debe seguir eliminando todo el vapor saturado que se produce durante la fase de vaporización, hasta alcanzar la presión deseada.

Dado que a las presiones que termina el proceso (0.657kpa-1ºC) el volumen específico del vapor de agua es muy elevado (193 m³/kg) se comprende que son necesarias grandes capacidades de bombeo.

Así, para enfriar 1 Tn de coles desde 20ºC a 1ºC es necesario vaporizar aldededor de 30kg de agua que equivalen en esos niveles de presión, a 5.790m³ de vapor saturado. Este volumen debe extraerse en aproximadamnete 15 minutos, duración de la fase de vaporización, por tanto es necesario un caudal medio teórico de 23.160 m³ /h, que en la realidad, cuando la vaporización es máxima (flash point),  pueden ser necesarios caudales instantáneos de 8 a 10 veces mayores.

Según la forma de realizar el vacío los vacuum cooler pueden llevar instalado:

Sistema de bombeo mecánico

Se utilizan normalmente instalaciones de baja a media capacidad. las bombas pueden ser volumétricas o de desplazamiento positivo, y centrífugas o de desplazamiento cinético o dinámico.

 Bombas volumétricas

Suelen ser la más utilizadas y se clasifican en rotativas y alternativas. Ambos tipos son capaces de producir los niveles de presión (0.610kPa) necesarios; tienen la ventaja de ser portátiles y el inconveniente de que a bajas presiones el caudal másico extráido es pequeño y por tanto para conseguir un enfriamiento rápido sus dimensiones resultarían inaceptables. 

Para solventar este inconveniente se recurre a una máquina frigorífica complementaria (expansión directa) de manera que en el evaporador (temp. de evaporación de -6 a 10ºC) de la misma se condensa la práctica totalidad del vapor de saturado ques e libera a partir del flash point.

La potencia frigorífica de la máquina debe debe hacer frente a la carga del calor latente necesaria para enfriar el producto en aproximadamente 20 minutos. El grupo suele esatr formado por un compresor hermético y un condensador por aire. Mediante esta  solución se consigue reducir al mínimo el vapor de agua a extraer por la bomba de manera que la misión de ésta es simplemente la de extraer el aire húmedo inicial hasta obtener y mantener la presión deseada.

En teoría para disminuir la presión de un recinto de un volumen dado (V₀) desde la presión inicial  (P₀) hasta la presión final  (P₁) en un tiempo determinado (T) en segundos, el caudal de la bomba volumétrica (G) en m³/h, resulta de integrar la expresión :

de donde se obtiene el caudal teórica:

G=(3.600/T)· V₀· ln(p₀/p₁)       [5]

En la realidad, el caudal real debe estimarse de 2 a 3 veces mayor que el calculado con la expresión [5] debido a que la estanqueidad no es total y fundamentalmente a que parte del vapor es extraido por la bomba.

Bombas centrífugas

Son también portátiles y pueden extraer grandes volúmenes de vapor. Sin embargo, su uso está limitado por las dificultades de tipo mecánico, que se presentan cuando es necesario que funcionen a altas velocidades de rotación para conseguir las bajas presiones requeridas.

 Sistemas de bombeo térmico

En el caso de prerrefrigeradores de gan capacidad , el empleo de eyectores  de vapor es el sistema de vacío más económica.

En este caso el vacío se produce por la expansión de vapor de agua a alta presión (vapor activo) a través de eyectores colocados en serie. Los vapores son licuados en consensadores multitubulares a vacío.Este procedimiento tiene consumos de energía muy elebvados puesto que haty que producir cantidades elevada de vapor y por necesita una central de producción de vapor.

 

 

Además, de la condensación del mismo, exige caudales de agua importantes (próximos a 16 m³/h por tonelada de producto) de refrigeración , por lo que se ahce imprescindible la utilización de una torre de de recuperación de agua. En cuan¡to al mantenimiento tiene la ventaja questiene poco elemenos móviles. 

En la figura 8 se representa un esquema de un sistema de bombeo térmico en condiciones típicas de funcionamiento.

 Ventajas e Inconvenientes

Puesto que la prerrefriegación por vacío es el procedimiento que exige mayor inversión su uitilización es bastante restringida a productos altamente perecederos y en los que es  imposible  o problemático el enfriamiento por otros sistemas como el aire o el agua. Son productos especialmente aptos para la prerefrigeración por la vacío las hortícolas foliáceas y pequeños frutos. Ambos se carcataerizan por su elevada porosidda y contenido en agua con elevada relación superficie volumen que facilite el intercambio de vapor de agua y por tanto el enfriamiento rápido.

En tabla 1 se recogen algunos resultados de las experiencias realizadas en USA. Condiciones normales de explotación; 0.532kpa, ciclo de aproximadamente 20 minutos ,

 

inicio de la ebullición a los 5-8 minutos de iniciado el proceso. 

Es importnate señalar las diferencias de pérdida de peso entre diferentes especies de foliáceas. Pérdidas de 1.3% en apio frente al 3% en lechuga son excesivamente elevadas (pérdidas comerciales muy significativas), por lo que la humectación del producto parece ser una obligación técnica.

 Entre Ventajas e Inconvenientes debemos destacar; 

- es el procedimiento más rápido para el enfriamiento de hortícolas foliáceas. Que debido a

  características morfológicas no son compatibles con el agua, y el enfriamiento por aire

  exige tiempos prolongados y con una elevada pérdida de peso.

- permite el enfriamiento en producto embalado con tal del que el embalaje utilizado sea de  una permeabilidad adecuada al vapor de agua. Además se pueden utilizar envases de  cartón más baratos que la madera

- consigue un enfriamiento uniforme a nivel de carga, sin embargo pueden existir gradientes
  en el producto entre superificie y corazón. .

- costes de amortización muy elevados. Por ello los productos deben ser de elevado valor
  comercial y altamenete perederos.

Lamúa , M., Cuesta, F. y Alique, R. Prerrefrigeración de frutas y Hortalizas. II. Aplicación. Alimentación Equipos y Tecnologías, marzo-abril, 1986. pág. 106-120