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Refrigeracin y ahorro de energa en cervecera Planta Minas

Leandro Arizaga Nstor Toledo Luis Travieso

FNC S.A., PLANTA MINAS

FACULTAD DE INGENIERIA, UNIVERSIDAD DE LA REPUBLICA RUTA 8 KM 112, LAVALLEJA URUGUAY

HERRERA Y REISSIG 565, MONTEVIDEO - URUGUAY

larizaga@fnc.com.uy - ntoledo@fnc.com.uy - travieso@fing.edu.uy Resumen. Una antigua cervecera uruguaya del departamento de Lavalleja, ubicada sobre una vertiente de agua muy importante (vertiente del Verdn), se encuentra desde el ao 2001 realizando cambios tecnolgicos en su sistema de produccin para as, con su pequea escala, poder mantenerse competitiva en el complejo mercado regional.

Para poder llevar a cabo el proceso productivo y cumplir los exigentes estndares internacionales de calidad, es necesario poseer instalaciones frigorficas que mantengan desde el mosto hasta su producto final a temperaturas controladas. As mismo es necesario optimizar los intercambios energticos. Esto ha impuesto una normalizacin en los procesos frigorficos, dejando en el pasado la refrigeracin en forma indirecta (amoniaco-cloruro de calcio) en grandes bodegas cuyos intercambios de calor eran realizados en forma pasiva e ineficiente.

Actualmente un sistema de enfriamiento con etanol alimenta las camisas de los tanques de fermentacin, as como los intercambiadores de calor empleados en las diferentes etapas del proceso. En paralelo un sistema de enfriamiento con agua para el mosto utilizando un tanque de acumulacin, permite llevar a cabo una etapa vital con un aprovechamiento energtico importante. Todos estos cambios tecnolgicos son acompaados por un sistema de control de ltima generacin y una eficiente recoleccin de datos on line. La ubicacin de la planta cervecera, Parque Salus, Departamento de Lavalleja, Uruguay. Palabras clave: Refrigeracin, Ahorro de Energa, Industria de la Alimentacin, Amoniaco,

Refrigerantes Secundarios, Etanol. INTRODUCCIN La conservacin de los alimentos es un problema con el cual la humanidad se enfrenta desde que los hombres vivan de la caza. En nuestros tiempos no es exagerado afirmar que la refrigeracin es una necesidad vital como mtodo de conservacin industrial. Tanto el empleo de la nieve y del hielo natural datan de siglos atrs, en cambio el fro artificial es un descubrimiento del siglo XIX el cul adquiri inicialmente dimensiones industriales.

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Especficamente las fbricas de cerveza han fomentado el desarrollo de las instalaciones frigorficas, (R. Thevenot, 1977) en sus comienzos por compresin. Es as que la cadena del fro es extendida a la elaboracin y luego en la distribucin y consumo del producto. El objetivo, de la cadena del fri, son sucesiones de estaciones refrigeradas, es de mantener los productos perecederos a un nivel de temperatura ptima disminuyendo los procesos degenerativos. La refrigeracin en la elaboracin de la cerveza se utiliza para disminuir la temperatura del mosto de la cerveza luego de su coccin y durante su fermentacin. Dichos procesos requieren transferir mucha energa trmica durante un lapso de tiempo corto. En general los procesos mencionados requerirn temperaturas de +4 a +5C y en el aire que rodea, una humedad relativa del 75 al 85%. Con el advenimiento del fro industrial en el siglo XIX se observ la sustitucin del hielo natural por el hielo artificial, de esa forma Carl Linde (R. Planck, 1984) despert en la industria cervecera su inters y en 1890 el 84% de las mquinas frigorficas se empleaban en la industria cervecera. Luego de la expansin de la refrigeracin en otras industrias y la continua experimentacin de nuevas tecnologas fueron abriendo nuevas formas de refrigerar y mantener productos perecederos. Por el mismo camino, tanto la industria metalrgica como la energtica, fueron entregando productos ms confiables y rentables. De esa forma, el progreso no es posible sino gracias a un trabajo perseverante del ingeniero y a su vez del mejoramiento de los materiales previstos por la naturaleza. Los avances en la industria energtica le han permitido a la industria frigorfica mejorar su confiabilidad. Se ha recorrido mucho camino desde que el Ing Charles Tellier (1828-1913) escribi LE FROID SANS COMBUSTIBLE (1910) en su razonamiento de recuperar calor perdido y de esa forma obtener fro sin depender del carbn tomando como distribuidor de dicha energa: l` electricit: Ceci est la situation ultime, que l`homme doit finalment rencontrer ici-bas. Hoy en da, tras recorrer distintas tecnologas para producirla y tratndose por las empresas productoras y distribuidoras, como un gran negocio (Kowalewski y otros,1998) la energa elctrica que consume la cervecera para su sistema frigorfico ocupa mas del 50% del consumo energtico total de la planta. Tras la escasez mundial de combustibles no renovables (Porritt and al, 1993) y el alza de sus precios, hace pensar en un nico camino a transitar, la eficiencia energtica.

REFRIGERACIN DE LAS BODEGAS

Para que la cerveza corresponda con las exigencias generales de calidad, es necesario mantener el mosto y el producto terminado, a bajas temperaturas. El mtodo original de refrigeracin era mantener los locales o bodegas (lagares de fermentacin) a las temperaturas y humedades requeridas. Para ello se exiga una mayor eficiencia que la que se podra obtener mediante el uso del hielo. El enfriamiento mediante el empleo del hielo, deja el ambiente con una humedad que no est de acuerdo con los productos que se encuentra fermentando. La instalacin de serpentines en las cmaras, cerca del cielorraso conduciendo cloruro de calcio como refrigerante secundario, resulta una circulacin de aire deficiente. Caractersticas para bateras de tubos lisos horizontales de = 2 y una fila en el techo, (Komarov, 1958):

Diferencia temperatura entre Aire cmara y salmuera (C)

Humedad Relativa (%) Transferencia de calor (Kcal/m2xh)

6 10 14 85 47,4 84 121,8

Tabla 1

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Para el caso de una fbrica de 35000 hl/ao se tendra una batera de 120m2, (Moyer and Fittz, 1947) para cubrir la transferencia de calor total. Podemos decir que: 30m2, (R Planck 1984) de la superficie total cubre la transferencia de calor por ganancias a travs de la construccin de la bodega. Adems de mantener en los lagares de fermentacin la temperatura y la humedad se debe asegurar una ventilacin adecuada debido a que la atmsfera del lugar se satura con anhdrido carbnico. Este tipo de enfriamiento permita disponer de un volante trmico, pudindose detener el equipo frigorfico y seguir enfriando el ambiente logrando mantener temperaturas absolutamente constantes. Como inconveniente puede citarse que las instalaciones son ms costosas, con mayores prdidas de calor y la operacin del desescarchado es muy ardua y difcil. Respecto a la corrosin es una gran desventaja que poseen las soluciones incongelables. De A Lpez (1994 1992) transcribimos una relacin matemtica que nos ilustra el balance trmico msico de la disipacin de la energa calorfica producido durante la fermentacin:

)(**)(****** 222

11 extcp TTAUdtdQco

TTAUdtdS

VHdtdT

VC -+---D=r (1)

Donde: r - densidad del mosto

2A - rea de transferencia no aislada

pC - calor especfico cT - temperatura del refrigerante V - volumen

extT - temperatura exterior. HD - calor de reaccin T - temperatura del mosto en fermentacin

U - coeficiente global de transferencia S - contenido de azcar 1A - rea de transferencia camisa refrigerada 2co - Anhdrido carbnico producido durante

fermentacin El primer trmino nos expresa la variacin de la cantidad de calor acumulado en el mosto durante la fermentacin (proceso exotrmico) que se debe mantener controlada. Adems, en el segundo termino, se expresan las energas calorficas prdidas, que es necesario aprovechar. Para que dicho calor residual se aproveche, los caudales de agua para el proceso de fabricacin de la cerveza deben ser dosificados racionalmente y se logra optimizar su uso acumulndolo en tanque isotermos.

REFRIGERACIN Y EFICIENCIA ENERGTICA Desde que Pasteur ha comprobado que las bacterias son las causantes de infecciones del mosto la industria cervecera se encamin en enfriar el mosto en refrigeradores cerrados. De esa forma las bodegas de fermentacin son reemplazados por intercambiadores de calor con consecuentes modificaciones tecnolgicas en la fabricacin de la cerveza. La energa trmica es una energa que no es fcilmente convertible en otras formas de energa.

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Por contraste la energa elctrica o mecnica son energas fcilmente convertidas en trmica. De ah que la energa trmica posea calidad o disponibilidad y sea expresada a travs de su temperatura. La forma de utilizar la energa trmica eficientemente, lo mejor posible, es minimizar su tendencia a la degradacin. Para obtenerlo tratamos de recuperar la mayor cantidad de energa posible a las ms altas temperaturas como sea usada en algunos procesos. De esta forma podra ser transferida su energa trmica a otro fluido o almacenada a la ms alta temperatura para su uso futuro. La industria cervecera posee un nmero importante de fuentes de calor y fro. Estas potenciales oportunidades nos permiten usar la energa eficazmente y/o recuperarla y re-usarla. Todos los procesos de recuperacin de calor involucran de una forma u otra los intercambiadores de calor. Esto implica que las transferencias de calor ocurran principalmente por conveccin de los fluidos. Es necesario sealar que un intercambiador es un equipo que en servicio no solo transfiere calor sino que al mismo tiempo es un recipiente a presin. Los recipientes a presin se disean normalmente para un nivel de seguridad aceptable de tensiones bajo las ms severas combinaciones de presin y temperatura anticipadas en operacin. Dichas tensiones admisibles son especificadas en funcin del material o aleacin para cada temperatura, (Chise, Carson ,1993). Desde hace 20 aos se introdujo en la industria cervecera los intercambiadores de placas, que son construidos en acero inoxidable, de un diseo muy higinico, permitiendo que se pueda desmontar y limpiar fcilmente. Pueden soportar temperaturas de 200C y presiones de 20 bar. Coeficientes globales de intercambio de: 2500 a 3000 Kcal/hm2xC,(A.Lpez ,1994). En el caso de Planta Minas, el pasaje de las bodegas de fermentacin a recipientes cuyas camisas son refrigeradas por etanol e intercambiadores en contracorriente con equipos de placas, abri el camino hacia una produccin cervecera sin prdidas de productos en recipientes que se mantienen con una asepsia adecuada con la calidad final de la cerveza. Mediante la expresin (1) el trmino

( )extTTAU -** 22 ,en que en este caso 2A indica el rea del depsito que contiene aislamiento y se encuentra en contacto con el exterior, define la transferencia de calor con el medio ambiente. Debido a los bajos coeficientes de conductividad que poseen los aislantes:

eUl=2 , en que e es el espesor de aislante. Admitiendo una conductividad del orden de

0.03 Kcal/h m C el espesor de aislante estar dimensionado para que no existan condensaciones sobre los recipientes. De manera de conducir los refrigerantes secundarios a travs de los intercambiadores se utilizan bombas, las cuales requieren energa, dependiendo la misma de las propiedades termofsicas de los fluidos (Maxime Duminil,AFF 2005). Como consecuencia se deber considerar la parte econmica de tales sistemas partiendo de los costos de suministro e instalacin as como de funcionamiento de las bombas y ponderarlo respecto a los costos de recuperar dicha energa. Una condicin necesaria para una buena administracin energtica es la supervisin regulada de la totalidad del sistema energtico. Para realmente obtener un ahorro energtico se deben desarrollar esfuerzos en el rea de la informacin, dentro de la compaa y de la motivacin y cooperacin entre todo el personal de operacin.

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Esto significa que todos y cada uno de los empleados conectados con la operacin deben comprender que pueden contribuir activamente a la reduccin del consumo de energa.

CONCLUSIONES El desafo planteado para Planta Minas consiste en dos objetivos principales: a) Mejoramiento de la calidad de produccin y b) Reduccin de costos de produccin y mant enimiento. Ambos implican poner nfasis especial en el entrenamiento del personal para que se adapten a los cambios tecnolgicos que se implemente. Las nuevas tecnologas implementadas permiten un desarrollo sustentable, produciendo una reduccin en la utilizacin de la energa. Los chequeos en la utilizacin de la energa, en las distintas etapas del proceso, son parte de la operacin normal y en las rutinas de mantenimiento y sta informacin es recogida y analizada por el gerente de fbrica. El entrenamiento del personal y el seguimiento continuo de las medidas son los dos tems ms importantes sin dejar de lado la poltica de calibracin de instrumentos de medida. Finalmente, un desarrollo sustentable invirtiendo en tecnologas ms costo-efectivas y de mayor eficiencia energtica, beneficiar no slo a la empresa sino que tambin le ayudarn a la adaptacin inevitable del cambio climtico. REFERENCIAS Association Francaise du Froid (Maxime Duminil), Guide Technique pour le Refroidisscment indirecte et le frigoporteirs, AFF et Ademe, France 2005. ASHRAE, 2000, HVAC Systems and Equipment: Heat Exchanges, ch 43. W.F. Stoecker, Industrial Refrigeration Handbook, Mc Graw Hill, 1998. Lic Adriana Kowalewski y otros, Argentina, El sector Elctrico, Manrique Zago Ediciones S.R.L.,BB.AA.,1998. ANSI/ASHRAE 15-1994 Safety Code for mechanical refrigeration. A. Lopez Gmez, Las instalaciones Frigorficas en las Industrias Agroalimentarias, A. Madrid Vicente, Ediciones, 1994. R. Chuse, B. Carson, Pressure Vessels, Mc Graw Hill, Inc, Seventh Edition, 1993. Jonathon Porritt an al,Energy and the Environment,(The Licandre Lectures 1991-2) Oxford University Press,1993. ANSI/IIAR 2 1992 Equipment, design and installation of ammonia mechanical refrigeration systems. A. Lopez Gmez, Las industrias Frigorficas en las Bodegas (Manual de Diseo), A. Madrid Vicente, Ediciones, 1992.

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R. Plank, El empleo del fro en la industria de la alimentacin, Edit. Revert, S.A, 1984. R. Thevenot, SURVEY OF THE HISTORY OF REFRIGERATION, Institute Internacional du Froid, Paris, 1977. J.A. Moyer, R.U. Fittz, Refrigeracin, Librera y Editorial Alsina, 1947. N.S. KOMAROV, Tratado de Refrigeracin, Editorial Cartago, Buenos Aires 1958. C.H. TELLIER, Histoire d`une Invention Moderne Le Frigorifique, Librairie C.H. DELAGRAVE, Paris 1910.

Refrigeration and saving of energy on brewery Planta Minas

Abstract. An old uruguayan brewery of Lavalleja's department, located on a very important underground watercourse (watercourse of the Verdn), since 2001 is doing technological changes in their production system. The main objetive of the changes is continue being competitives in the regional complex market.

To succesfully finish the productive process, and fulfill the demanding international standards of quality, it is necessary to posses refrigerating facilities that support from the must up to control temperatures of the final products. Moreover it is necessary to optimize the energetic interchanges. This impose a refrigerating processes normalization, leaving in the past the indirect refrigeration way (ammonia - chloride of calcium) in big warehouses where heat interchanges was done in passive and inefficient way.

Nowadays while an ethanol cooling system feeds the shirts of the fermentation tanks, and the heat interchangers (used in different process stages), a cooling system with water for the must use an accumulation tank. Doing both things at the same time allows the plant to achieve the end of a vital stage making good use of the energy.

All these technological changes are accompanied by a control system of last generation and an efficient collect of information "on line ".

The brewery plant location is Parque Salus, departament of Lavalleja, Uruguay.

Keywords: Refrigeration, Economy Energy , Food industry, Ammonia, Secondary Coolants, Ethanol.