Disseny i càlcul d'un assecador per produir llet en pols escalfat amb una bomba de calor

Abstract

Aquest treball té com a objectiu el disseny i la simulació d’un sistema d’assecatge per a la producció de llet en pols, comparant el model d’una planta convencional escalfada amb gas natural amb un model que incorpora una bomba de calor com a font d’energia tèrmica. El projecte s’inspira en les plantes de Nestlé a Biessenhofen i a Nunspeet, on ja s’ha implementat aquesta tecnologia com a estratègia de sostenibilitat i reducció d’emissions. La metodologia emprada ha inclòs la revisió de l’estat de la qüestió, la modelització del procés d’assecatge per aspersió i la simulació de dues configuracions utilitzant el programari DWSIM. En el cas de la bomba de calor, s’ha seleccionat l’amoníac (R717) com a refrigerant òptim per les seves propietats termodinàmiques i pel seus nuls potencials d’escalfament global. Els resultats mostren una millora en l’eficiència energètica i una reducció de les emissions de CO₂ quan s’utilitza la bomba de calor, gràcies a la recuperació de calor residual i a la substitució parcial de combustibles fòssils. S’ha obtingut un estalvi d’energia final del 19,7% i una reducció de les emissions del 9,6%. Tanmateix, aquest resultat s’ha de valorar amb cautela, ja que l’eficiència final dependrà en gran mesura del rendiment efectiu dels equips instal·lats, així com de factors externs com les condicions ambientals, les estratègies de manteniment i el règim de funcionament de la planta. El programa DWSIM ha pogut simular correctament els processos de generació de vapor, escalfament de l’aire per a l’assecatge i la recuperació de calor de l’aire de sortida de l’assecatge mitjançant una bomba de calor. D’aquí s’han pogut obtenir els balanços energètics. Això no obstant, amb el DWSIM no s’han pogut modelitzar adequadament les propietats físiques dels sistema trifàsic llet-aire. Com a línies futures es proposa validar el model amb dades experimentals més detallades d’una planta industrial, intentar simular el procés amb el programa Aspen HYSYS, així com desenvolupar un estudi econòmic per avaluar la rendibilitat de la inversió.

Este trabajo tiene como objetivo diseñar y simular un sistema de secado para la producción de leche en polvo, comparando el modelo de una planta convencional calentada con gas natural con un modelo que incorpora una bomba de calor como fuente de energía térmica. El proyecto se inspira en las plantas de Nestlé en Biessenhofen y Nunspeet, donde esta tecnología ya se ha implementado como estrategia de sostenibilidad y reducción de emisiones. La metodología empleada incluyó una revisión del estado del arte, la modelización del proceso de secado por aspersión y la simulación de dos configuraciones mediante el software DWSIM. En el caso de la bomba de calor, se seleccionó el amoníaco (R717) como refrigerante óptimo debido a sus propiedades termodinámicas y a su potencial de calentamiento global nulo. Los resultados muestran una mejora en la eficiencia energética y una reducción de las emisiones de CO₂ al utilizar la bomba de calor, gracias a la recuperación del calor residual y a la sustitución parcial de combustibles fósiles. Se ha obtenido un ahorro energético final del 19,7 % y una reducción de emisiones del 9,6 %. Sin embargo, este resultado debe evaluarse con cautela, ya que la eficiencia final dependerá en gran medida del rendimiento efectivo de los equipos instalados, así como de factores externos como las condiciones ambientales, las estrategias de mantenimiento y el régimen de funcionamiento de la planta. El programa DWSIM ha logrado simular correctamente los procesos de generación de vapor, calentamiento del aire para el secado y recuperación de calor del aire de salida del secado mediante una bomba de calor. A partir de esto, se han obtenido balances energéticos. Sin embargo, con DWSIM no ha sido posible modelar adecuadamente las propiedades físicas del sistema trifásico de leche y aire. Las futuras líneas de acción incluyen la validación del modelo con datos experimentales más detallados de una planta industrial, el intento de simular el proceso con el program Aspen HYSYS, así como desarrollar un estudio económico para evaluar la rentabilidad de la inversión.

This work aims to design and simulate a drying system for the production of powdered milk, comparing the model of a conventional plant heated with natural gas with a model that incorporates a heat pump as a source of thermal energy. The project is inspired by the Nestlé plants in Biessenhofen and Nunspeet, where this technology has already been implemented as a sustainability and emissions reduction strategy. The methodology used included a review of the state of the art, modeling of the spray drying process and the simulation of two configurations using the DWSIM software. In the case of the heat pump, ammonia (R717) was selected as the optimal refrigerant due to its thermodynamic properties and zero global warming potential. The results show an improvement in energy efficiency and a reduction in CO₂ emissions when using the heat pump, thanks to the recovery of waste heat and the partial replacement of fossil fuels. A final energy saving of 19.7% and a reduction in emissions of 9,6% have been obtained. However, this result must be assessed with caution, since the final efficiency will depend largely on the effective performance of the installed equipment, as well as external factors such as environmental conditions, maintenance strategies and the operating regime of the plant. The DWSIM program has been able to correctly simulate the processes of steam generation, heating of the air for drying and heat recovery of the drying outlet air using a heat pump. From this, energy balances have been obtained. However, with DWSIM it has not been possible to adequately model the physical properties of the three-phase milk-air system. Future lines of action include validating the model with more detailed experimental data from an industrial plant, attempting to simulate the process with the Aspen HYSYS program, and developing an economic study to evaluate the profitability of the investment. investment.