Numerical Study of a Helical Heat Exchanger for Wort Cooling in the Artisanal Beer Production Process

Estudio numérico de un intercambiador de calor helicoidal para el enfriamiento del mosto en el proceso de elaboración de cerveza artesanal

El presente trabajo tiene como objetivo estudiar el comportamiento de un intercambiador de calor de tubo helicoidal y coraza, para el enfriamiento del mosto en el proceso de elaboración de cerveza artesanal con agua fría, mediante la metodología de dinámica de fluidos computacional (CFD) por volúmenes finitos para el modelado del intercambiador de calor. Esto utilizando el software Fluent de ANSYS, mismo que nos permite comprender el fluido a través de ecuaciones que describen su movimiento y su comportamiento, mediante métodos numéricos y técnicas computacionales. En la convergencia de malla se manejaron dos métodos, ortogonalidad y oblicuidad, en los que se corroboró que el mallado es ideal en las simulaciones que se realizaron. Para la simulación se empleó el modelo de turbulencia k-épsilon y el modelo de energía. Por medio de varias simulaciones se obtuvo que, mediante la variación del flujo másico del mosto, se obtienen mejores resultados en la reducción de temperatura de salida, donde existe una variación de 15.16°C.Por otro lado, variando la temperatura de entrada del agua, existe apenas una variación de 2.71°C a 0.01°C. Por lo tanto, se encontró una mejora significativa en el funcionamiento del intercambiador de calor. De la misma forma, se confirmó que el número de espigas en el intercambiador de calor es el adecuado, ya que con menos no se alcanzaría la temperatura de salida.

I. INTRODUCCIÓN

La cerveza es una de las bebidas más consumidas en el mundo y la más popular entre las alcohólicas [1, 2, 3], ha estado presente en la vida humana desde hace miles de años [1, 3, 4, 5, 6], y su popularidad ha crecido a lo largo de la historia. Por ello, la atención a las mejoras en su producción se hace imprescindible.

En la producción de cerveza, se busca mejorar los métodos para obtener un producto de calidad, desde la preparación de una fórmula establecida, hasta el tratamiento de la bebida en cada una de las etapas. Rodman [7] reconoce que la fermentación es el proceso más importante en la elaboración de la cerveza, por lo que se busca mejorar los tiempos de producción de esta etapa y generar un mejor rendimiento [8], [9]. Específicamente, a través de mejoras en el enfriamiento, después de la ebullición del mosto.

El enfriamiento del mosto caliente debe realizarse lo más rápidamente posible para evitar la formación de microorganismos o bacterias [1, 3, 5, 10-11], en cuanto al rango de temperaturas, Agulló [12] aclara que va desde los 15 °C hasta los 25 °C, cuando la levadura está viva.