CAMPO DE LA INVENCION

La Invención se refiere a un proceso y sistema de enfriamiento instantáneo de la leche con recuperación de la energía entregada por la leche para calentar agua para lavado de las salas de ordeña y otros usos deseables por los productores de leche.

ESTADO DEL ARTE

El enfriamiento de la leche en la granja tiene como objetivo principal inhibir el crecimiento bacteriológico y así asegurar la calidad y temperatura de entrega de la leche por el productor.

En el proceso de ordeña, la leche abandona la ubre de la vaca a una temperatura de 37°C. Para prevenir la proliferación de bacterias se debe enfriar en el menor tiempo posible. Mientras mas rápido sea la reducción de temperatura, menor es la probabilidad de proliferación de bacterias. Esta proliferación de bacterias tiene una incidencia relevante en el precio final de la leche pagado al productor (unidad formador de colonias "UFC").

En general, el crecimiento de bacterias en la leche y productos lácteos es reducido considerablemente enfriando bajo los 10 °C, mientras que temperaturas de hasta sólo 4 o 3 °C se requieren para parar casi totalmente toda la actividad bacterial. El almacenaje de la leche a bajas temperaturas, sin embargo, no destruirá las bacterias. Por otro lado, el congelar la leche puede conducir a una destrucción lenta del producto ya que los cristales de hielo rompen las paredes de la célula.

Entre los sistemas de enfriamiento de la leche de uso común, encontramos estanques de frió por expansión directa, pre-enfriadores de placa y equipos de frío instantáneo, los cuales se especifican a continuación.

- Estanque de frío con expansión directa: se compone de un estanque que está conectado a un sistema de frío con un refrigerante circulando en circuito cerrado entre un evaporador incorporado a la parte baja del estanque, y un condensador, que hacen el intercambio energético de la leche con el refrigerante.

Este tipo de equipo enfría la leche por contacto directo con el evaporador o, si el estanque es un estanque de doble fondo, con las paredes frías del doble fondo del estanque, donde el refrigerante líquido se evapora (expande) a baja presión y temperatura absorbiendo el calor de la leche. Como consecuencia, tiene un funcionamiento continuo dentro del proceso de ordeña, y el proceso de enfriamiento por lo general se extiende un par de horas después de terminada la labor de ordeña. Esto repercute considerablemente en el costo energético ya que se extiende el periodo de trabajo más allá del proceso de ordeña.

Por otro lado, la energía extraída de la leche es disipada al medio ambiente ("en el aire") en el condensador que a modo de radiador, por medio de impulsión de aire, baja la temperatura y condensa el refrigerante, la eficiencia del sistema estando sujeta a las variaciones climáticas (más calor o menos calor), de modo que a mayor temperatura ambiente menor es la eficiencia, y a menor temperatura ambiente mayor es la eficiencia.

Una variante de este sistema es el estanque de frío con banco de hielo, que utiliza hielo o agua helada a baja temperatura para enfriar la leche por contacto. Al igual que el modelo con refrigerante, disipa la energía en el medio ambiente, por tanto su eficiencia está sujeta a las mismas variables. Su consumo eléctrico es eventualmente mayor que el modelo anterior ya que tiene que generar, previo a la ordeña, el banco de hielo y durante el proceso de ordeña sigue funcionando.

- Pre enfriador: Este equipo lo que hace es dar un golpe de frió a la leche recién ordeñada, enfilándola hasta una temperatura intermedia entre 18° y 23°C aproximadamente utilizando agua corriente o de pozo en un intercambiador de calor de placas, previo al ingreso de la leche al estanque de frío. Este elemento no es indispensable, teniendo en cuenta que es sólo una ayuda para el resultado final y cada productor decide su uso en función del ahorro en energía en el estanque de frío contra el costo de proveer el agua corriente o de pozo, limpieza y mantenimiento del intercambiador, etc. - Equipo de frío instantáneo: este equipo recibe la leche directo de la sala de ordeña y la enfría instantáneamente hasta los 4°C en forma externa al estanque de almacenamiento de la leche, la cual es luego bombeada a dicho estanque. Su funcionamiento es en el periodo de ordeña solamente. Al generar frío instantáneo sobre la leche proveniente de la sala de ordeña a 37° C, necesita una gran carga térmica para poder llegar a su temperatura objetivo lo que se traduce en un alto consumo eléctrico. Además, la energía de la leche es también disipada al ambiente, puesto que la unidad de frió instantáneo está compuesta por un fluido refrigerante en un circuito cerrado que tiene un evaporador y un condensador, que hacen el intercambio energético de la leche con el refrigerante en un intercambiador de calor, por lo que la energía extraída de la leche es disipada en el condensador al ambiente.

Para mejorar la eficiencia energética en el proceso de enfriamiento de la leche, se suele recurrir a sistemas que recuperan la energía disipada por la leche para ser reutilizada para algún propósito económicamente útil, como calentar agua para diversos usos de la lechería (limpieza, agua caliente sanitaria, agua de bebida para el ganado, etc.). Un ejemplo de este tipo se explica en la patente GB880638 (Clark) consistente en un aparato de enfriamiento de leche del tipo estanque de frió por expansión y banco de hielo, en donde se dispone un serpentín intercambiador de calor en la parte baja de un estanque de agua. El serpentín está conectado al circuito cerrado de refrigeración del equipo de enfriamiento de la leche, entre la salida del compresor y el condensador. El refrigerante calentado de este compresor fluye a través de este serpentín y entrega parte de su calor al agua antes de pasar al condensador enfriado por aire. El pre-enfriamiento del refrigerante en el serpentín reduce la cantidad de calor a ser disipada por el condensador al aire, mejorando la eficiencia del sistema.

Sin embargo, este ejemplo de equipo recuperador de calor, al ser de contacto directo tanto en lo que refiere al calentamiento del agua como al enfriamiento de la leche, la energía (temperatura) disipada en el estanque de agua no es suficiente para satisfacer la demanda de agua caliente para limpieza y otros usos intensivos y, por otro lado, los tiempos de enfriamiento de la leche son altos, demorando más que el período de ordeña, sumándose además las ¡neficiencias propias del uso de bancos de hielo.

Otros ejemplos más eficientes de sistemas de enfriamiento de la leche con recuperación de calor lo constituyen sistemas como los de los documentos JP2007282622 y JP2009082085 donde se utiliza una bomba de calor en asociación con frío instantáneo para enfriar la leche, proveniente directamente de la sala de ordeña y luego enviarla a un estanque de almacenamiento, y simultáneamente calentar agua para distintos usos en la lechería. Las bombas de calor tienen la ventaja de generar calor y frío simultáneamente, en donde el aporte del ambiente (sustancia a enfriar) a la energía total requerida es de un 75% y el consumo en energía eléctrica representa solo el 25% de la energía total, relación que se conoce como COP (coeficiente de eficiencia). Mientras mayor es el COP, mayor es la eficiencia del sistema.

En el caso de JP2007282622 el gas refrigerante fluidizado y enfriado es usado para intercambio térmico con una solución refrigerante en circuito cerrado con una bomba de circulación dentro del intercambiador de calor de la leche donde la leche es enfriada instantáneamente con dicha solución refrigerante, mientras que agua es calentada en otro intercambíador de calor dispuesto entre el compresor y la válvula de expansión de la bomba de calor, con el gas alta temperatura y presión del circuito cerrado de la bomba de calor que, tras condensarse en el intercambíador es descomprimido en la válvula de expansión y circulado nuevamente al intercambiador de calor de la leche. En el caso de JP2009082085 la bomba de calor se utiliza para enfriar un banco de agua helada usado como medio de enfriamiento de la leche en el intercambiador de frío instantáneo de la leche, y el calor absorbido en el banco de agua helada por el fluido de trabajo de la bomba de calor es utilizado para calentar agua que se almacena luego en un estanque de agua caliente.

No obstante los ejemplos señalados, el gasto energético para enfriar la leche y/o los períodos de uso de los equipos sigue siendo alto. Se debe tener en cuenta que mientras mas alta sea la diferencia entre temperatura inicial y final de la sustancia a enfriar, mayor debe ser la potencia térmica para poder cumplir con la baja de temperatura. Por lo mismo, al funcionar los sistemas de enfriamiento mencionados con un solo intercambiador, la diferencia entre temperatura inicial o de entrada y temperatura final o de salida de la leche en el intercambiador es muy alta, requiriendo equipos de alta potencia térmica y alto consumo energético.

Por lo tanto, sería deseable un proceso y sistema de enfriamiento mejorado para la leche que permita enfriar la leche de la ordeña en el menor periodo posible con el menor consumo energético posible y capaz de entregar como subproducto abundante agua caliente, a 30° C o superior, para distintos usos en la lechería.

Resumen de la invención

En base a las problemática antes mencionada, se ha desarrollado un proceso y sistema de enfriamiento de la leche con recuperación de calor que consiste en un primer intercambiador de calor que preenfría la leche recién ordeñada desde los 35-37 °C hasta típicamente los 18- 22 °C, mediante agua fría que puede ser bombeada desde un pozo profundo, o bien agua de la red. La leche que sale del primer intercambiador es preferentemente almacenada y contenida en un estanque pulmón para asegurar un flujo continuo y controlado de leche a la siguiente etapa. Una bomba de vaciado que puede ser accionada por sensores de nivel en el estanque pulmón, impulsa y conduce la leche por un ducto a un segundo intercambiador conectado a una bomba de calor a través de un circuito cerrado intermedio con agua glicolada u otro fluido refrigerante a una temperatura entre -1 ^o y 0 ^o C. Este segundo intercambiador entrega la leche a una temperatura predeterminada apta para conservación de entre 2 ^o y 4 ^o C, que es vertida en un estanque de almacenamiento. La bomba de calor opera con un gas refrigerante en circuito cerrado bajo un ciclo de vapor-compresión e incluye un evaporador y un condensador, un compresor para elevar la temperatura y presión del gas a la salida del evaporador y una válvula de expansión termoestática para reducir la presión del gas a la salida del condensador y continuar el ciclo, en que la energía absorbida por el fluido refrigerante en el segundo intercambiador es disipada en el evaporador, reduciendo de paso el trabajo requerido en el compresor para elevar la temperatura y presión del gas refrigerante de la bomba de calor, y una bomba de recirculación a la salida del evaporador impulsa nuevamente dicho fluido refrigerante que ha reducido su temperatura hasta el segundo intercambiador.

Por otro lado, el agua de enfriamiento eleva su temperatura en el primer intercambiador desde los 12° a 14° C hasta los 18° a 22° C y es conducida por la presión de la red en una cañería al condensador de la bomba de calor, donde por la energía disipada por la leche en el segundo intercambiador eleva su temperatura hasta 30° a 45° C y puede ser usada inmediatamente para el aseo post-ordeña, lavado de equipos y otros usos u almacenada en un estanque o termo eléctrico para uso posterior. El proceso de enfriamiento de la leche es más rápido y eficiente, y se obtiene un subproducto de abundante agua caliente deseado por los productores.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es un diagrama esquemático de una realización preferida del sistema de enfriamiento de leche con recuperación de calor de la invención, donde se distingue:

1 Vaso de recolección de leche

2 Bomba de leche

3 Primer intercambiado de calor

4 Estanque pulmón

5 Bomba impulsora de leche

6 Segundo intercambiador de calor

7 Estanque de almacenamiento de leche

8 Bomba de calor

9 Bomba recirculación

10 Evaporador

1 1 Pozo profundo

12 Condensador 13 Termo eléctrico

14 Ducto de leche

15 Red de agua

16 Circuito cerrado intermedio de fluido refrigerante

17 Válvulas

Descripción detallada de la invención

A continuación se explica el proceso del invento con referencia a la Figura 1.

Primero, la leche ordeñada de las vacas, es conducida por medio de maquinaria dispuesta para este efecto a hacia una unidad de recolección o vaso (1), y una vez que este vaso se llena con una cierta cantidad de producto (leche), un flotador acciona una bomba impulsora de leche (2), la cual evacúa el vaso hacia el sistema de la invención. En esta parte del proceso como en la ordeña misma el sistema de la invención no tiene influencia alguna. Una vez que la bomba de leche vacía el vaso (1), la leche es impulsada por un ducto de leche (14) hacia el primer elemento del sistema, compuesto por el primer intercambiador de calor (3), el cual está conectado a una red de agua (15) proveniente, en la realización ilustrada, de un pozo (11) profundo con una temperatura aproximada de 12 a 14°C. En este punto se genera la primera baja de temperatura de la leche, que viene ingresando entre 37- 35°C y sale de este primer paso de enfriamiento, o preenfriamiento, de la leche a una temperatura intermedia aproximada entre 16-22°C.

La leche, luego de pasar por el paso anterior, es conducida por el ducto (14) hacia un estanque pulmón (4), el cual cumple la función de almacenar y contener la leche para asegurar un flujo continuo y controlado de leche hacia el siguiente paso de enfriamiento. En forma complementaria, el agua proveniente del pozo (11), que pasa por el primer intercambiador de calor (3), incrementa su temperatura a 18-22X y es conducida por la presión de la red a través de una cañería fuera del primer intercambiador de calor (3) hacia el siguiente paso de calentamiento del agua.

La leche que estaba almacenada en el estanque pulmón (4), al alcanzar el nivel deseado, acciona el sensor de nivel (no mostrado) que a su vez acciona la bomba impulsora (5) de leche, enviándola por el ducto (14) hacia el segundo intercambiador de calor (6). El segundo intercambiador de calor está conectado a una bomba de calor (8) a través de un circuito cerrado intermedio (16) de una solución de agua glicolada u otro fluido refrigerante que circula por medio de una bomba de recirculación (9) del fluido refrigerante y que, con una temperatura entre -1 ^o y 0°C, genera el segundo intercambio de calor (6), entregando la leche a una temperatura final de conservación entre 2° y 4°C, siendo la leche a esta temperatura conservación conducida por la presión generada por la bomba impulsora de leche (5) o, si fuera necesario, por una segunda bomba impulsora (no mostrada) a la salida del intercambiador (6), hasta el estanque de almacenamiento de leche (7).

El retorno del circuito cerrado (16) de agua glicolada u otro fluido refrigerante desde el segundo intercambiador de calor (6), reingresa al evaporador (10) de la bomba de calor (8) con una temperatura entre 4° y 7°C, en donde es nuevamente enfriada a la temperatura de ingreso (entre -1° y 0°C) al segundo intercambiador de calor (6).

Finalmente, el agua proveniente del primer intercambiador de calor (3), con una temperatura entre 18° y 22°C, entra en contacto térmico con el fluido refrigerante en el condensador (12) de la bomba de calor (8), en donde se traspasa al agua la energía que ha absorbido el agua glicolada u otro fluido refrigerante que circula en el circuito cerrado intermedio en el segundo intercambiador (6), aumentando la temperatura del agua hasta los 30° a 45° C. Luego, esta agua caliente es conducida por cañería, por la presión de la red (15), o bien utilizando una segunda bomba impulsora de agua (no mostrada) a la salida del condensador (12), hacia un estanque o termo eléctrico (13) para su consumo en procesos de la lechería u otros usos. En lo que respecta a eficiencia, si se considera un flujo de 40 Lt/Min de leche desde la sala de ordeña, el intercambio energético en el primer intercambiador de calor (3), usando 18 Lt/Min. de agua fría a 12-14° C, es de alrededor de 49 KW. Acto seguido, en el estanque pulmón (4) se regula que el flujo de leche alimentado al segundo intercambiador de calor (6) sea de 25 Lt/Min. Para este flujo de leche, la energía entregada en el segundo ¡ntercambiador de calor, requerido para bajar la temperatura de la leche a 4°C, es de alrededor de 22 KW, usando agua glicolada como refrigerante en el circuito cerrado secundario (16). Así, la energía generada por la bomba de calor (8) con el compresor operando en un 100% es de 22 KW y el consumo eléctrico es de 4,8 KW, con lo cual el COP resultante es de 4,5.

Comparativamente, para un mismo COP y flujo de leche desde la sala de ordeña, los sistemas de enfriamiento de los documentos JP2007282622 y JP2009082085 requieren para bajar la temperatura de la leche a 4°C en el único intercambiador de calor de leche, una energía de la bomba de calor equivalente de 86 KW con compresor operando en un 100% y un flujo aproximado de agua, para disipación de energía de la bomba de calor, de 47 Lt/Min. Ello implica un consumo eléctrico de la bomba de calor de alrededor de 19 KW, es decir, cuatro veces mayor que en el invento. En el caso de la patente JP2009082085, que usa un banco de agua helada como medio de enfriamiento de la leche en el ¡ntercambiador, se debe sumar la ineficiencia propia de enfriar un cuerpo de agua previo al período de ordeña. En definitiva el invento reduce notablemente el consumo eléctrico respecto a los sistemas de enfriamiento conocidos, para la obtención de la leche a 4°C, a la vez que los tiempos de operación se circunscriben a los tiempos de ordeña y el calor recuperado permite obtener un flujo abundante de agua caliente de consumo a un temperatura igual o superior a 30° C.