El equipo donde se produce la ebullición del refrigerante
producto de la absorción de calor desde el foco frío recibe el nombre de
evaporador. Aunque lo que se produce es una ebullición y no una evaporación,
universalmente se acepta la denominación de evaporador para designar al equipo
donde ocurre este proceso.
Debido a la cantidad y variedad de requisitos que deben
cumplir estos equipos en función de sus diversas aplicaciones, ellos son
fabricados en una amplia gama de tipos, formas, dimensiones y diseños, pudiendo
clasificarse según el medio refrigerado, el principio de operación, las
características de la superficie de transferencia y según la forma de
circulación del fluido a enfriar.
La capacidad de refrigeración de un evaporador está dada
por la razón a la cual se trasmite el calor a través de sus paredes,
proveniente del espacio o producto refrigerado al refrigerante líquido que
circula por su interior, el cual se vaporiza. Esta capacidad está determinada
por los factores que gobiernan la transferencia de calor a través de cualquier
superficie, esto es, el coeficiente de transferencia de calor, el área de
transferencia y la diferencia de temperaturas.
La selección de evaporadores para una aplicación
específica constituye un elemento de utilización práctica. [1]
EVAPORADOR
Se conoce por evaporador al intercambiador de calor que
genera la transferencia de energía térmica contenida en el medio ambiente hacia
un gas refrigerante a baja temperatura y en proceso de evaporación. Este medio
puede ser aire o agua.
Estos intercambiadores de calor se encuentran al interior
de neveras, refrigeradores domésticos, cámaras de refrigeración industrial,
vitrinas comerciales para alimentos y un sinfín de aplicaciones en procesos
para la industria de alimentos, así como en procesos químicos. De igual manera,
también se encuentran al interior una diversa gama de equipos de aire
acondicionado. Es debido a esto que el evaporador tiene un diseño, tamaño y
capacidad particular conforme la aplicación y carga térmica.
Principio
En los sistemas frigoríficos el evaporador opera como
intercambiador de calor, por cuyo interior fluye el refrigerante el cual cambia
su estado de líquido a vapor. Este cambio de estado permite absorber el calor
sensible contenido alrededor del evaporador y de esta manera el gas, al
abandonar el evaporador lo hace con una energía interna notablemente superior,
cumpliéndose así el fenómeno de refrigeración.
El flujo de refrigerante en estado líquido es controlado
por un dispositivo o válvula de expansión la cual genera una abrupta caída de
presión en la entrada del evaporador. En los sistemas de expansión directa,
esta válvula despide una fina mezcla de líquido y vapor a baja presión y
temperatura. Debido a las propiedades termodinámicas de los gases
refrigerantes, esta caída de presión está asociada a un cambio de estado y, lo
que es más importante aún, al descenso en la temperatura del mismo.
De esta manera, el evaporador absorbe el calor sensible
del medio a refrigerar transformándolo en calor latente el cual queda incorporado
al refrigerante en estado de vapor. Este calor latente será disipado en otro
intercambiador de calor del sistema de refrigeración por compresión: el
condensador, dentro del cual se genera el cambio de estado inverso, es decir,
de vapor a líquido. [2]
Componentes básicos de un evaporador
Los sistemas de evaporadores industriales normalmente constan de:
• Un
intercambiador de calor para aportar el calor sensible y el calor latente de
evaporación del alimento liquido. En la industria de los alimentos normalmente
se utiliza como medio de calentamiento vapor saturado.
• Un
separador en el que el vapor se separa de la fase líquida concentrada. En los
sistemas que operan a presión atmosférica el separador puede omitirse.
• Un
condensador para condensar el vapor y eliminar el condensado del sistema. [4]
TIPOS DE EVAPORADOR
Debido a que un evaporador es cualquier superficie de
transferencia de calor en la cual se vaporiza un líquido volátil para eliminar
calor de un espacio o producto refrigerado, los evaporadores se fabrican en una
gran variedad de tipos, tamaños y diseños y se pueden clasificar de diferentes
maneras.
Según
alimentación de refrigerante:
- De Expansión Directa o Expansión Seca (DX): En los evaporadores de expansión directa la evaporación del refrigerante se lleva a cabo a través de su recorrido por el evaporador, encontrándose este en estado de mezcla en un punto intermedio de este. De esta manera, el fluido que abandona el evaporador es puramente vapor sobrecalentado. Estos evaporadores son los más comunes y son ampliamente utilizados en sistemas de aire acondicionado. No obstante son muy utilizados en la refrigeración de media y baja temperatura, no son los más apropiados para instalaciones de gran volumen.
- Inundados: En este tipo de evaporadores el flujo másico de líquido supera con creces al flujo de vapor producido en el evaporador. De esta manera, el fluido que abandona el evaporador es mezcla vapor-líquido de alto título, que no alcanza a ser vapor saturado. Es común el apelativo de " sobrealimentación de líquido" para estos intercambiadores, los que preferentemente son utilizados en aplicaciones industriales, con un número considerable de evaporadores, operando a baja temperatura y utilizando amoníaco (R717) como refrigerante.
Según tipo de
construcción:
- Tubo descubierto: Evaporador de tubo descubierto de cobre para enfriamiento de agua. Los evaporadores de tubo descubierto se construyen por lo general en tuberías de cobre o bien en tubería de acero. El tubo de acero se utiliza en grandes evaporadores y cuando el refrigerante a utilizar sea amoníaco (R717), mientras para pequeños evaporadores se utiliza cobre. Son ampliamente utilizados para el enfriamiento de líquidos o bien utilizando refrigerante secundario por su interior (salmuera, glicol), donde el fenómeno de evaporación de refrigerante no se lleva a cabo, sino más bien estos cumplen la labor de intercambiadores de calor.
- De superficie de Placa: Existen varios tipos de estos evaporadores. Uno de ellos consta de dos placas acanaladas y asimétricas las cuales son soldadas herméticamente una contra la otra de manera tal que el gas refrigerante pueda fluir por entre ellas; son ampliamente usados en refrigeradores y congeladores debido a su economía, fácil limpieza y modulación de fabricación. Otro tipo de evaporador corresponde a una tubería doblada en serpentín instalada entre dos placas metálicas soldadas por sus orillas. Ambos tipos de evaporadores, los que suelen ir recubiertos con pintura epóxica, tienen excelente respuesta en aplicaciones de refrigeración para mantención de productos congelados.
- Evaporadores Aleteados: Los serpentines aleteados son serpentines de tubo descubierto sobre los cuales se colocan placas metálicas o aletas y son los más ampliamente utilizados en la refrigeración industrial como en los equipos de aire acondicionado. Las aletas sirven como superficie secundaria absorbedora de calor y tiene por efecto aumentar el área superficial externa del intercambiador de calor, mejorándose por tanto la eficiencia para enfriar aire u otros gases.
El tamaño y espaciamiento de
las aletas depende del tipo de aplicación para el cual está diseñado el
serpentín. Tubos pequeños requieren aletas pequeñas y viceversa. El
espaciamiento de la aletas varía entre 1 hasta 14 aletas por pulgada,
dependiendo principalmente de la temperatura de operación del serpentín. A
menor temperatura, mayor espaciamiento entre aletas; esta distancia entre las
aletas es de elemental relevancia frente la formación de escarcha debido a que
esta puede obstruir parcial o totalmente la circulación de aire y disminuir el
rendimiento del evaporador.
Respecto de los evaporadores
aleteados para aire acondicionado, y debido a que evaporan a mayores
temperaturas y no generan escarcha, estos pueden tener hasta 14 aletas por
pulgada.
Ya que existe una relación
entre superficie interior y exterior para estos intercambiadores de calor,
resulta del todo ineficiente aumentar el número de aletas por sobre ese valor
(para aumentar superficie de intercambio optimizando el tamaño del evaporador),
ya que se disminuye la eficiencia del evaporador dificultando la circulación
del aire a través de este.
Esta circulación de aire se
realiza de dos maneras: por convección forzada por ventiladores bien sean
centrífugos o axiales, mono o trifásicos, conforme la aplicación y de manera
natural por diferencia de densidades del aire, fenómeno conocido como
convección natural. [2]
Evaporadores para Enfriamiento de
Líquido:
- Evaporadores de inmersión: Estos evaporadores están formados por un tubo al cual se le da la forma más conveniente para su colocación en el recipiente que se desea enfriar, tomando el nombre de evaporadores de inmersión.
El material empleado
principalmente en este tipo de evaporadores es el tubo de cobre, aunque en
instalaciones de gran capacidad también se emplean serpentines de tubo de
acero.
- Evaporadores de doble tubo a contracorriente: La construcción de estos evaporadores es similar a los de condensadores a contracorriente. Su utilización es muy escasa, ya que implica que para la limpieza del circuito de líquido incongelable ó del agua, el aislamiento de cada codo sea desmontable.
- Evaporadores de lluvia ó de cortina: Este tipo de evaporadores se vienen utilizando para el enfriamiento de líquidos alimenticios como leche, cerveza, vino, etc.
Sus condiciones de aplicación
hacen que este evaporador se divida en dos partes. En la sección primera del
aparato el líquido a enfriar baja de la temperatura de entrada (cercana a 100ºC en el caso del mosto
procedente de la cuba, ó de 75
ºC en el caso de la leche que sale del pasteurizador),
hasta la temperatura cercana a la temperatura del agua de suministro, que
circula por el interior de dicha sección de tubos.
En la segunda sección del
evaporador, el líquido se enfría hasta la temperatura deseada de conservación,
por la circulación de agua helada obtenida en evaporadores acumuladores de
frío, ó por expansión directa del fluido frigorígeno.
El agua de enfriamiento
circula primero en un haz de tubos separadores y el fluido frigorígeno por el
segundo haz colocado debajo de aquél. Las dos secciones se hallan en contacto
total con dos placas de acero inoxidable sobre las cuales cae por lluvia el
líquido que ha de enfriarse, repartiéndose a todo el ancho del evaporador por
medio de un depósito distribuidor. Después de su enfriamiento, el líquido se
recoge en el tanque de recuperación.
- Evaporadores multitubulares: Este tipo de evaporadores, se emplean normalmente para el enfriamiento de líquidos por expansión directa del refrigerante. Están formados por un haz de tubos instalados en el interior de un cilindro de chapa de acero y pueden ser de dos tipos:
Que el refrigerante circule
por el interior de los tubos y el líquido a enfriar circule por el cilindro, o
bien que el líquido a enfriar circule por el interior de los tubos y el
refrigerante evapore en el interior del cilindro.
En el primer caso la
alimentación de refrigerante a los tubos se realiza a través de una válvula de
expansión termostática, y en el segundo caso con el refrigerante expansionado
en el circuito, el líquido a enfriar se mantiene a un nivel por debajo de la
parte superior del envolvente a fin de que haya suficiente espacio para la
separación entre el refrigerante líquido y vapor, trabajando en un régimen
inundado y regulando la inyección por medio de una válvula de flotador.
Las temperaturas de
funcionamiento estimadas como normales son:
o
Temperatura
de evaporización = + 2 ºC
o
Temperatura
de entrada del agua = + 12 ºC
o
Temperatura
de salida del agua = + 7 ºC
- Evaporadores especiales: Uno de estos evaporadores son los utilizados en enología, el cual se destina a enfriar las sidras y los vinos a fines de clarificación.
Este evaporador se compone de
una cuba en la que el vino a tratar entra por la parte inferior. Esta cuba está
provista de un doble envolvente en cuyo interior se evapora el fluido
frigorígeno. En la parte superior de este doble envolvente existe un depósito
adicional que forma la cúpula de vapor, para la salida de éste, y también para
obtener la separación de las partículas de líquido contenidas en el mismo.
Por medio de un agitador de
paletas y de rascadores, se mantiene en movimiento el vino que debe tratarse, a
la vez se enfría a una temperatura cercana al punto de congelación. [2, 3]
IMPORTANCIA DE LOS
EVAPORADORES EN LOS PROCESOS DE CONSERVACION DE ALIMENTOS
La evaporación es un proceso generalizado en la industria. Básicamente
consiste en la separación de una mezcla mediante destilación simple del
componente más volátil y posterior condensación para ser colectado.
La utilización de evaporadores emerge de las tecnologías que se aplican
en distintas ramas de la industria: En la industria de la azucarera, el azúcar
contenido en la materia prima es extraído con agua. Posteriormente el agua es
eliminada en evaporadores que permiten obtener el azúcar.
En la industria farmacéutica es habitual la síntesis de productos en el
seno de un disolvente orgánico que después debe ser eliminado.
En la industria de residuos, se utilizan los evaporadores para la
minimización de residuos haciendo más sencillo y económico su transporte y su
posterior eliminación.
La importancia de
los evaporadores en la industria alimentaria se debe a su utilidad:
- Asegurar mayor estabilidad fisicoquímica (almacenamiento)
- Hacer más cómodo su transporte y utilización (fluidez, concentración, ...)
- También son ideales para el concentrado, destilado, o reaccionado de productos que poseen una o más características problemáticas, tales como sensitividad al calor, alta viscosidad.
- Disminución del contenido de agua del alimento para evitar el desarrollo de microorganismos. [6, 7]
EVAPORADORES DE MAYOR UTILIDAD EN LOS PROCESOS
DE CONSERVACION DE ALIMENTOS
Los sistemas que se utilizan o se han utilizado en la
industria para conseguir la concentración por evaporación de los alimentos
líquidos, son muy numerosos. No existe un evaporador que sea adecuado para
todas las condiciones ni para todo tipo de alimentos. La calidad del producto,
las propiedades de trasmisión de calor, energía y factores económicos son los que
determinan la elección de uno u otro tipo de evaporador para cada aplicación
particular. [5]
- Evaporador de tubos verticales cortos (más antiguo utilizado en la industria alimentaría)
- Evaporador de película descendente (Alimentos sensibles al calor)
- Evaporadores centrífugos (concentración de productos termosensibles)
- Evaporador de serpentín rotativo (concentración de tomates)
- Evaporador de camisa de vapor(más simple y antiguo utilizado en la industria alimentaría)
BIBLIOGRAFÍA
[1] http://www.quiminet.com/ar0/ar_vcdadddsa-fundamentos-de-la-operacion-de-los-equipos-de-refrigeracion.htm
[5] Casp A., Abril
J.; Proceso de conservación de alimentos; Ediciones Mundi-Prensa; 2ª edición;
1999; págs. 410-440
[7] http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=1329826
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