SISTEMA DE CONTROL DEL PROCESO DE EVAPORACIÓN A VACÍO Abril Requena, J.* y Gómez Ochoa de Alda, J.J. Tecnología de Alimentos. Universidad Pública de Navarra. Campus Arrosadia. 31006 Pamplona e-mail: jabril@unavarra.es PALABRAS CLAVE: Evaporación a ; control de proceso; evaporación por cargas RESUMEN En la industria agroalimentaria es frecuente el uso de concentradores por evaporación que trabajan a para que la eliminación de agua del alimento se produzca a una temperatura moderada, generalmente inferior a los 60ºC. En muchos casos no es necesario fijar la temperatura a la que se produce la ebullición, solamente se debe controlar que el condensador sea capaz de condensar todo el vapor producido, de forma que se eviten los daños a la bomba de, asegurando en todo momento que no se supera la temperatura máxima fijada. El evaporador para el que se ha desarrollado el sistema de control está formado por una marmita de doble pared que actúa de cuerpo del evaporador, un enfriador Peltier, que actúa de condensador, una bomba de y un calentador para el agua que circula por la camisa de calentamiento de la marmita, que regula la temperatura del fluido calefactor a la temperatura máxima a la que se desea que se produzca la evaporación. El sistema de control del proceso de evaporación que se ha desarrollado toma la temperatura del condensador y a partir de este valor regula la presión en el evaporador, abriendo y cerrando la válvula de, de forma que el condensador sea siempre capaz de condensar todo el vapor que le llegue y no se produzca ninguna fuga que pueda deteriorar la bomba. Se consigue así que el proceso de evaporación se produzca a la velocidad que permite la potencia frigorífica instalada en el condensador. INTRODUCCIÓN La concentración de muchos alimentos se debe producir a presión reducida para que las temperaturas de trabajo sean lo suficientemente bajas para no alterar las propiedades del producto concentrado. Un proceso de esta naturaleza se puede realizar manteniendo constante la temperatura de evaporación del alimento (y por ello la presión a la que se produce esta evaporación), o bien permitiendo que la temperatura de ebullición varíe, siempre y cuando se mantenga por debajo de la temperatura máxima fijada. El primer caso es habitual para los procesos en continuo, mientras que el segundo puede emplearse en los procesos por cargas. En este trabajo se muestran los resultados obtenidos por un sistema de control del proceso de evaporación montado en un evaporador a por cargas, con el que se 1275
consigue que la evaporación se produzca al ritmo que permita la potencia instalada en el condensador. MATERIALES Y MÉTODOS El sistema de control se ha desarrollado para un evaporador a cuyo esquema puede verse en la figura 1. Vapor Calentador de agua Marmita con camisa Condensador Peltier Válvula de Bomba de Concentrado Condensado Figura 1.- Esquema del evaporador a Consta de una marmita con camisa de calefacción, que actúa de cuerpo del evaporador, calentada por una corriente de agua que se mantiene a la temperatura de trabajo mediante un calentador eléctrico. El vapor producido se lleva a un sistema frigorífico Peltier, que está situado antes de la bomba de, y que actúa como condensador. Ente la bomba de y el condensador se encuentra la válvula de con la que se controla la presión en el evaporador. El sistema esta gobernado por una tarjeta de control basado en el microcontrolador PIC16F877 al cual van conectadas: 4 entradas analógicas (temperaturas de producto, de la camisa y del condensador y la presión de evaporación), 6 salidas digitales (las electroválvulas de y de entrada de aire y los relés de la bomba de agua, de la bomba de, de la resistencia de calentamiento y de la célula Peltier) y el puerto serie RS232 para conexión a PC y monitorización del proceso. El automatismo dispone de 3 partes bien diferenciadas: puesta a régimen del equipo (en la que se produce el enfriamiento del condensador y el calentamiento de la camisa del evaporador a la temperatura de consigna fijada), proceso de evaporación (en el que actúa el programa de control objeto de este trabajo) y fin de proceso (en el que se produce el cierre de la electroválvula de, el paro de la bomba de y se la apertura de la entrada de aire). El programa de control realiza la lectura de la presión en el evaporador y de la temperatura en el condensador Peltier, y a partir de estos datos decide la apertura o el cierre de la válvula de. 1276
RESULTADOS Y DISCUSIÓN El diagrama de flujo de los pasos del programa de control se muestra en la figura 2. Como puede observarse, se trata de un bucle en el que se decide si se modifica o no la apertura de la válvula de, en función de la temperatura del condensador y de la presión en el cuerpo del evaporador. Leer temp. condensador tc tc + 2ºC Calcular presión saturación de tc + 2ºC Ps1 tc + 5ºC Calcular presión saturación de tc +5ºC Ps2 Pr > Ps2 Sí Abrir válvula No Pr > Ps1 No Sí Mantener posición válvula Cerrar válvula Figura 2.- Diagrama de flujo de los pasos del programa de control En primer lugar se toma la temperatura en el cuerpo del condensador y se calcula la presión de saturación para esta temperatura más 2 y más 5ºC. 1277
El paso siguiente es comparar las presiones de saturación calculadas con la presión a la que se encuentra el cuerpo del evaporador y el alimento que se encuentra en él. Si la presión de recinto es mayor que la presión de saturación a una temperatura 5ºC mayor que la del condensador, se abre la válvula de poniendo en contacto la bomba de con el evaporador y produciéndose la aspiración del vapor, que pasa al enfriador Peltier que está en condiciones para conseguir su condensación. Si la presión en el recinto es inferior a la de saturación a la temperatura de condensación más 5ºC, se comprueba si también es mayor que la de saturación correspondiente a la temperatura de condensación más 2ºC. Si esto es cierto se cierra la válvula de, en caso contrario se mantiene la válvula en la posición que estaba. Al comenzar la operación el enfriador Peltier debe haber conseguido que la masa del condensador se encuentre a la mínima temperatura que sea capaz de alcanzar, de forma que almacene la máxima cantidad de frío que le sea posible. Si el alimento a concentrar se introduce en el evaporador a temperatura ambiente, la temperatura de vaporización se establecerá de forma automática en función del calor transmitido a través de la camisa calefactora. En la gráfica 1 se puede observar como evolucionan las variables controladas durante el proceso. 50 45 40 Temp. Calefacción Temp. Producto Temp. Condensador Presión de recinto 45 40 35 35 30 Temperatura (ºC) 30 25 20 15 10 5 25 20 15 10 5 Presión (mb) 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Tiempo (min) Gráfica 1.- Evolución de las variables durante el proceso En esta gráfica se observa que la temperatura del condensador va incrementándose durante el proceso, ya que su potencia es insuficiente para eliminar todo el calor aportado por los vapores que le llegan. Este incremento de temperatura produce la correspondiente elevación de la presión de trabajo del evaporador de forma que en todo momento pueda producirse la necesaria condensación de los vapores. 0 1278
Sin embargo, la temperatura del producto sufre muy poca modificación durante el proceso. El producto se introdujo en el evaporador a temperatura ambiente. En los primeros minutos del proceso no se produjo evaporación, ya que se estaba produciendo el calentamiento del producto hasta la temperatura de equilibrio. A partir de haberse alcanzado el equilibrio la práctica totalidad del calor aportado por la calefacción se utilizó en la vaporización, por lo que la temperatura del producto se mantuvo sensiblemente constante. En la gráfica 2 puede verse el ritmo al que se produjo la condensación de los vapores producidos. 200 180 160 140 Condensado (ml) 120 100 80 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Tiempo (min) Gráfica 2.- Caudal de condensado recogido En esta gráfica se observa que el caudal de condensado producido es constante, en cuanto se supera la fase de calentamiento del producto. Es evidente que esto debería producirse ya que tanto la temperatura del producto como la potencia de la calefacción se mantienen constantes durante el proceso. CONCLUSIONES Se ha conseguido un sistema de control del proceso de evaporación, en un evaporador por cargas, capaz de ajustar la producción de condensado a la capacidad del condensador, controlando únicamente la presión del recinto, la temperatura de condensación y la temperatura del sistema de calefacción. En estas condiciones la temperatura del producto se mantendrá en todo momento en los niveles adecuados a la preservación de sus cualidades organolépticas. 1279
BIBLIOGRAFÍA Casp, A. y Abril, J. (2003) Procesos de conservación de alimentos. Ediciones Mundi- Prensa. Madrid. Hermida Bun, J.R. (2000) Fundamentos de ingeniería de procesos agroalimentarios. Ediciones Mundi-Prensa. Madrid. 1280