Refrigeración con agua helada por debajo de los 2 °C

Los intercambiadores de calor de placas, o PHE, se han convertido en la solución estándar para la refrigeración de procesos industriales. La razón es principalmente económica: refrigeran el agua de proceso con un coste de inversión relativamente bajo, ocupan poco espacio y cuentan con un mercado de proveedores bien consolidado. Pero cuando un proceso requiere una temperatura de salida del agua de 1 °C o 0,5 °C, se sale de esa zona de confort. En ese momento, el PHE se convierte en una tecnología de riesgo que requiere un control intensivo y que resulta costosa cuando falla. Aquí es precisamente donde entra en juego HTT AG, con sistemas diseñados desde cero para este rango de temperaturas, en lugar de adaptados a posteriori con medidas de seguridad.

El intercambiador de calor de placas no es un mal sistema. Es un sistema optimizado para un rango de temperaturas específico, y alcanza sus límites de diseño fuera de ese rango. Su popularidad se debe principalmente al precio: a temperaturas de salida del agua de entre 2 y 3 °C, ofrece coeficientes de transferencia de calor aceptables a un coste de adquisición que los sistemas especializados en este segmento no pueden igualar inicialmente. También se beneficia de una red de servicio técnico bien desarrollada y de la disponibilidad de piezas de recambio estandarizadas.

Por lo tanto, para procesos que pueden funcionar con una temperatura de salida de entre 2 y 3 °C, el intercambiador de calor de placas es una opción económicamente acertada. La cuestión es si la solución que parece más barata sobre el papel es realmente la más económica a lo largo de toda la vida útil del sistema, y si eso sigue siendo cierto una vez que las temperaturas de proceso requeridas caen por debajo de los 2 °C.

Esa afirmación parece obvia. Sus consecuencias para el funcionamiento de la planta, no tanto. Cuando la temperatura de salida del agua requerida desciende a 1 °C o 0,5 °C, el refrigerante al otro lado de las placas de transferencia tiene que circular inevitablemente por debajo de 0 °C. La formación localizada de hielo en la superficie de la placa no es, por tanto, un caso excepcional, sino una inevitabilidad física.

¿Qué significa esto en la práctica?

• Una capa de hielo en la superficie de transferencia de calor reduce significativamente el coeficiente global de transferencia de calor. El sistema pierde eficiencia sin que esto se aprecie de forma inmediata.
• El agua al congelarse se expande. La tensión mecánica resultante ejerce presión sobre la geometría de las placas y las juntas.
• En caso de fallo, las placas se agrietan. El refrigerante y el medio de proceso se mezclan. El sistema se vuelve económicamente irreparable.

Precisamente por eso las especificaciones de los fabricantes de intercambiadores de calor de placas (PHE) exigen que la temperatura del agua en el lado de las placas nunca descienda por debajo de 0,5 °C. La temperatura de diseño suele fijarse en 1 °C, y el control de la presión de succión debe funcionar con una precisión de 0,25 °C. Esto requiere un bucle de control completo: control de temperatura, descongelación por gas caliente, control de caudal en el lado del agua, válvulas de control, válvulas piloto, electroválvulas y válvulas de cierre adicionales, en función de la capacidad. A ello hay que sumar los costes de diseño, instalación, cableado y programación que nunca aparecen en ningún precio de catálogo.

Lo que se presupuestó como una solución sencilla se convierte, a lo largo del proceso de ingeniería, en un sistema con requisitos de control complejos. La ventaja de coste respecto a una tecnología especializada se desvanece con cada componente de control adicional.

Una comparación directa de precios entre un PHE y el Falling Film Chiller BUCOdelot suele limitarse al precio de compra, y en ese aspecto el PHE parece más barato. El cálculo del coste total cuenta una historia diferente.

Controles e inversión. Para un PHE que incluya un sistema de control completo, los costes totales se desglosan de la siguiente manera, en función de la capacidad de refrigeración:

En todos y cada uno de estos casos, el sistema de control representa una parte significativa del coste total; en algunas clases de potencia, casi tanto como el propio evaporador. El enfriador de película descendente BUCOdelot presenta unos costes demostrablemente más bajos en todas las clases de potencia, desde los 100 kW hasta los 1.800 kW, ya que, en esencia, solo necesita válvulas de cierre en la línea de aspiración y en la alimentación de líquido.

Potencia de la bomba y costes de funcionamiento. Un intercambiador de calor de placas (PHE) requiere una bomba de agua con una altura manométrica superior a 5 m. El BUCOdelot necesita menos de 2,5 m de altura manométrica. Esto permite utilizar bombas significativamente más pequeñas, reduce el consumo de energía en funcionamiento continuo y disminuye notablemente la complejidad del sistema. Además, está la caída de presión en el lado del agua: los PHE alcanzan entre 0,5 y 1,0 bar, mientras que el BUCOdelot solo alcanza unos 0,3 bar.

Las juntas y sus puntos débiles. Las juntas para grandes unidades de PHE cuestan alrededor de 7.500 € y deben sustituirse periódicamente. Lo que no es tan conocido: las juntas de goma son sensibles al ozono, del tipo que generan los motores eléctricos y la soldadura por arco. Los disolventes orgánicos, los ácidos, el calor y la radiación UV atacan el material y provocan que se agriete. En entornos de producción en los que no se pueden descartar por completo estas influencias, se trata de un riesgo inherente que rara vez se tiene en cuenta en el cálculo del coste total durante la planificación. El BUCOdelot funciona sin juntas.

Mantenimiento. Los intercambiadores de calor de placas (PHE) requieren una limpieza periódica. El BUCOdelot es un sistema abierto y sin presión, accesible desde ambos lados en cualquier momento, sin necesidad de alivio de presión ni desmontaje complicado. El esfuerzo necesario para la inspección y la limpieza es significativamente menor. Cada inspección no planificada en un PHE supone una parada de la producción.

Si se solicita, HTT AG diseña ambas opciones – el intercambiador de calor de placas con un sistema de protección completo y la alternativa especializada – y compara las cifras. La decisión corresponde al cliente, no al precio de catálogo que resulte más bajo.

HTT AG desarrolla sistemas de transferencia de calor que están diseñados estructuralmente para funcionar cerca del punto de congelación, en lugar de ser adaptados posteriormente con controles de seguridad.

Falling Film Chiller BUCOdelot

El BUCOdelot se ha desarrollado para temperaturas de salida del agua que oscilan entre 0,5 °C y 1 °C. El agua de proceso fluye en forma de una película fina y uniforme sobre superficies de acero inoxidable enfriadas. Una fina capa controlada de hielo – que pondría en peligro el funcionamiento en un intercambiador de calor de placas (PHE) – mejora aquí la transferencia de calor en lugar de bloquearla. El sistema trabaja con la física, no contra ella.

He aquí una comparación que ilustra claramente este fenómeno: en el funcionamiento del BUCOdelot, se forma una capa de hielo de unos 6 mm. En los sistemas convencionales de serpentín en depósito, el espesor del hielo alcanza los 30 mm o más, lo que reduce el área efectiva de transferencia a una quinta parte y degrada continuamente el rendimiento de descongelación, especialmente con un caudal de retorno irregular desde el lado del proceso. Con el BUCOdelot, la superficie de hielo sigue siendo unas cinco veces mayor y, por lo tanto, mantiene un rendimiento constante.

Al mismo tiempo, la temperatura de evaporación es de solo −3 °C, en lugar de los −10 °C del proceso convencional de Banco de hielo: una diferencia de 7 K que se traduce directamente en menores costes energéticos durante todo el periodo de funcionamiento.

Un punto importante que hay que aclarar: el coeficiente de transferencia de calor – el valor U – es comparable para el PHE y el BUCOdelot. Ambos sistemas ofrecen un alto rendimiento en la transferencia de calor. Las diferencias no residen en la calidad térmica, sino en los costes de funcionamiento, la complejidad del control, la facilidad de mantenimiento y el coste total. Quienes eligen el BUCOdelot no sacrifican el rendimiento de transferencia de calor para obtener estas ventajas.

El sistema está fabricado íntegramente en acero inoxidable, funciona sin presión, es accesible por ambos lados en todo momento y no requiere desmontaje para su limpieza o inspección. La carga total de refrigerante es solo el 25 % de la cantidad de un sistema comparable con serpentín en depósito, lo que reduce los costes, los posibles peligros y el riesgo operativo.

Banco de hielo / Almacenamiento de hielo

El sistema de almacenamiento de hielo almacena energía de refrigeración en forma de hielo y la libera como agua helada a temperaturas que oscilan entre 0 y 1 °C durante los periodos de máxima demanda. Se trata de la especificación de diseño estándar, no de un caso excepcional. Aplicaciones típicas: enfriamiento de masa en grandes panaderías, enfriamiento de leche cruda en centrales lecheras, enfriamiento de procesos en la industria farmacéutica y cobertura de picos de carga en sistemas de aire acondicionado.

Una ventaja económica que a menudo se subestima en comparación directa con el intercambiador de calor de placas (PHE): el sistema de almacenamiento de hielo desacopla la generación de refrigeración de la demanda de frío. La enfriadora carga el sistema de almacenamiento durante las horas de menor consumo, cuando la demanda eléctrica es menor y las tarifas energéticas son más favorables. Las cargas máximas quedan cubiertas por el sistema de almacenamiento sin necesidad de sobredimensionar el enfriador. En la práctica, esto se traduce en: un enfriador más pequeño, menores costes de funcionamiento y temperaturas de proceso más estables, incluso con perfiles de carga fluctuantes.

Sistemas de transferencia de calor con Pillow Plates

The Pillow Plates are double-wall structures with integrated refrigerant channels, installed as tank jackets, incorporated ceilings, or suspended heat exchangers directly inside the tank. They cool products and process media to temperatures near 0 °C without the risk of freezing that would require maintenance on a heat exchanger (PHE) in this temperature range.

En HTT AG, las Pillow Plates se diseñan a medida para adaptarse a la geometría del depósito del cliente y a los requisitos del proceso. El tamaño, el espesor de la pared, el recorrido del refrigerante y la caída de presión se calculan, no se estiman. Esto permite un control de la temperatura significativamente más preciso que las soluciones de intercambiadores de calor de placas (PHE) estandarizadas, lo cual es fundamental cuando las estrictas tolerancias de temperatura afectan directamente a la calidad y la vida útil del producto.

La necesidad de temperaturas del agua de proceso inferiores a 2 °C no es una preocupación de nicho. Afecta a una amplia gama de sectores en los que la calidad del producto y la seguridad del proceso dependen directamente de la temperatura de refrigeración.

Producción de productos de panadería: la masa se calienta por la fricción durante el amasado. Para preservar la estructura del gluten y evitar que la levadura se active prematuramente, es necesario controlar estrictamente la temperatura de la masa. Esto solo se consigue con agua de proceso a una temperatura cercana a los 0 °C.

Sector lácteo y procesamiento de la leche: tras su recogida, la leche cruda debe enfriarse por debajo de los 4 °C —y, en algunos procesos, por debajo de los 2 °C— en un plazo de tiempo definido para evitar el crecimiento bacteriano y garantizar la vida útil del producto. En este caso, la refrigeración con agua helada no es una característica adicional, sino un requisito del proceso. Los sistemas BUCOdelot llevan décadas utilizándose en granjas lecheras y en plantas de procesamiento.

Procesamiento de pescado y marisco: Los productos frescos se estropean rápidamente. En muchas etapas del proceso, la ley o las normas de calidad exigen temperaturas de enfriamiento cercanas a los 0 °C. Los sistemas de almacenamiento de hielo que suministran continuamente agua helada a una temperatura de entre 0 y 1 °C están muy extendidos en este sector. Un aspecto relevante: los sistemas convencionales de serpentín en depósito suelen utilizar material galvanizado, lo cual no está permitido por la normativa europea de seguridad alimentaria. Los sistemas BUCOdelot están fabricados íntegramente en acero inoxidable.

Industria farmacéutica: La refrigeración de reacciones, los procesos de cristalización y el control de la temperatura de principios activos sensibles requieren temperaturas precisas del agua de proceso que un intercambiador de calor de placas (PHE) estándar no puede proporcionar de forma fiable a largo plazo sin un esfuerzo de control considerable.

La decisión tecnológica no comienza con una comparación de sistemas. Comienza con una sola pregunta: ¿qué temperatura de salida del agua requiere realmente su proceso?

Si necesita 3 °C y un intercambiador de calor de placas (PHE) ya le ofrece una buena relación económica, una conversación sincera con HTT AG le dirá exactamente eso. Si necesita 1 °C o 0,5 °C, debería analizar el panorama completo de costes: coste de capital más sistema de control más mantenimiento de juntas más energía de la bomba más riesgo operativo, a lo largo de toda la vida útil del sistema. Una tecnología diseñada precisamente para este rango de temperatura, que ofrece un rendimiento térmico equivalente con un esfuerzo significativamente menor, es la opción más económica y fiable a lo largo de toda la vida útil del sistema.

Cuéntenos cuáles son los requisitos de su proceso. Le indicaremos qué sistema ofrece el diseño claramente más adecuado para su rango de temperatura.