TRABAJO SEMESTRAL

LLAMOCCA BELTRAN, Yuri I

DISEÑO DE EQUIPOS PARA LA PRODUCCION DE PATATAS PELADAS.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTÓBAL DE HUAMANGA

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y METALUR-GIA

ESCUELA DE FORMACIÓN PROFESIONAL INGENIERÍA EN INDUS-TRIAS ALIMENTARIAS

TRABAJO SEMESTRAL

“DISEÑO DE UNA MARMITA, CAMARA DE REFRIGERACION Y

CALDERO PARA LA PRODUCCION DE PATATAS PELADAS”

ASIGNATURA : Diseño de equipos y maquinas alimentarias

DOCENTE : ing. Héctor Suarez Acosta

ALUMNO : LLAMOCCA BELTRÁN, Yuri Iván

AYACUCHO – PERÚ

DICIEMBRE – 2015

INTRODUCCION

En los últimos años el mundo ha iniciado una era de rápidos cambios y transformacio-

nes que se han caracterizado por los progresos tecnológicos, industriales y socioeconó-

micos; estos avances han traído consigo el aparecimiento de nuevas áreas de aplicación

dentro del campo de la ingeniería, que es usada en áreas como la alimenticia dentro de

la cual se halla la de comida rápida, en la fabricación de máquinas automáticas, semiau-

tomáticas que realizan ciertas tareas difíciles para el hombre, tomando en cuenta tanto

las propiedades de los materiales como la asepsia en la preparación de sus productos.

El sector alimenticio no ha quedado excluido de este avance tecnológico, es por ello que

la gran mayoría de sus procesos están mecanizados o automatizados. Todo esto se ha

logrado debido a que estas empresas han visto en ello una forma de mejorar y satisfacer

los requerimientos de los consumidores, como es la higiene del producto debido a que el

hombre no tiene contacto directo con el producto evitando así su contaminación. Es por

ello en este trabajo semestral se realizar el diseño de equipos ,para la producción de

papas peladas en la región Ayacucho, como el pelado de papa con pelado químico, que

usa la marmita, caldero y para su conservación usa la cámara de refrigeración .

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OBJETIVOS DEL TRABAJO

GENERAL

Diseñar una marmita, cámara de refrigeración y caldero para la producción

de papas peladas y cortados.

ESPECÍFICOS:

Elaborar el diagrama de flujo del proceso de producción de papas peladas y

cortados.

Realizar el balance de materia y energía en los equipos que se usa en pro-

ceso.

Desarrollar los diseños de los equipos de transferencia de calor como marmi-

ta, cámara de refrigeración y caldero.

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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

PROBLEMA

El problema que da origen el presente trabajo es la interrogante de conocer y diseñar equipos que pueden facilitar el proceso de producción de papas peladas y cortados en la región Ayacucho. Y así disminuir el tiempo de producción de papas peladas.

Donde la interrogante que dio origen fue:

¿Existe algún mecanismo de pelado de papas que disminuye el tiempo producción de papas peladas y cortadas?

Planteado el problema se definió las interrogantes secundarias:

¿Existe algún tipo de mecanismo de pelado para papas?

¿Con la implementación de un mecanismo de pelado de papas se disminuirá el tiempo de pelado?

FUNDAMENTO TEÓRICO:

El primer paso en la formulación del diseño consiste en establecer las bases del diseño, entre estos se puede considerar las propiedades físicas-químicas de la materia prima .

El siguiente paso consiste en elaborar el diagrama de flujo del proceso el cual debe con-tener los procesos que intervienen y las operaciones unitarias requeridas.

Un balance de masa y energía completo es importante y necesario. Se determina la tem-peratura, presión y composición de todas las corrientes que intervienen en el proceso, se incluyen los valores de las entalpías de las corrientes, porcentaje de vapor, líquido y sólido y necesidades de cantidades de calor.

Para el diseño de los diversos equipos se utilizará las leyes y principios de las operacio-nes unitarias, ecuaciones de diseño y procedimientos de cálculos.

2.1. IMPORTANCIA DEL ESTUDIO DE DISEÑO

La presente trabajo es factible de realizar debido a que esta se encamina a contribuir con una solución a los problemas en el sistema de pelado de papas debido a la técnica usada hasta ahora, mediante la aplicación de la ingeniería. Asimismo busca reducir el tiempo empleado en la preparación de alimentos en restau-rantes y comidas rápidas en la región, mediante la creación de un mecanismo para pelar papas, y por qué no de minimizar los esfuerzos que se realizan en esta actividad mediante métodos tradicionales.

Este trabajo es el resultado de la necesidad de crear un negocio venta de papas pelados y cortados en Ayacucho, asimismo saber los parámetros que se necesitan para diseño de cada equipo, con lo cual intentan mejorar la calidad del producto a través de la utilización de un mecanismo de pelado de papas, el cual traerá consigo muchos beneficios tanto a la empresa como para consumidor.

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La investigación tiene un interés personal al colaborar con la empresa para diseñar un mecanismo que permita la disminución del tiempo usado en la preparación de papas fritas causada por un inadecuado sistema de pelado de papas, contribuyendo de esta forma a disminuir la demanda de recursos económicos. Los conocimientos adquiridos en la presente investigación permitirán que otras personas desarrollen otros proyectos relacionados con este que ayuden al crecimiento de la indus-tria alimenticia.

DISEÑO DE PROCESOS.

3.1. LA PAPA O PATATA (Solanum tuberosum) es una planta perteneciente a la familia de las solanáceas originaria de Sudamérica y cultivada por todo el mundo por sus tubérculos comestibles.. Su consumo fue creciendo y su cultivo se expandió a todo el mundo hasta convertirse hoy día en uno de los principales alimentos para el ser hu-mano.

3.2 PELADO. Es la eliminación de cascara o piel de los tubérculos; y las papas pue-den ser peladas  por el uso del calor, de sustancias químicas y por la acción abrasiva.

El tipo de pelado a escoger depende del tipo variedad del producto y del tamaño de la planta de procesamiento. Generalmente las plantas grandes. En cerca de las áreas de cultivo, con lo cual se logra un fácil suministro de la materia prima.

 Las grandes plantas están siempre equipadas con líneas de peladores continuas para un rápido procesamiento. a) Pelado usando calor. El calor usado en algunos procesos de pelado causa el coci-

miento parcial de la superficie de la papa.  Puede producir la gelatinización del al-midón cuando el calentamiento está alrededor de 70º  C (160º F) este cocimiento de la superficie produce un calor oscuro y tiene una apariencia translucidaEn algunos procesamientos de productos el uso del calor directo es inaceptable.

b) Pelado usando abrasivo. El pelado abrasivo, tipo baño continuo; es un equipo di-señado teóricamente para realizar un contacto  uniforme con la superficie de la papa pudiendo ser pelada con discos o platos abrasivos para remover la cáscara con una pequeña rotación.

c)   Pelado usando soda cáustica. El pelado con soda en las papas combinado con el efecto de ataque químico y la acción del calor hacen remover las cáscaras y los ojos de las papas, para luego pasar a una maquinaria que trabaja  con dedos de jebe y presión de agua los que se encargan de limpiar finalmente.Las condiciones del proceso varían dependiendo de las variedades de la papa, edad y condiciones de almacenamiento del tubérculo y el destino de las papas.Las concentraciones usadas varían generalmente de 5% a 20% de hidróxido de so-dio (NaoH) la temperatura del baño  varía de 76 a 98º C (170 – 210º F) y el tiempo de inmersión varía de 1 a 6 minutos.

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Después de lavadas la papas pueden sumergirse o ser rociadas con solución diluida de ácido, tal como el ácido cítrico con el objeto de neutralizar la acción residual de la soda en la superficie.

d) Otros métodos de pelado. Como adición del uso comercial al proceso de pelado va de acuerdo con el número de técnicas utilizadas.

3.4. CARACTERÍSTICAS DEL PRODUCTO.

La parte comestible de la papa es el tubérculo, este es de importancia para la planta, pues es aquí donde el 75-85% del total de la materia seca producida, se acumula.

El tubérculo posee ojos, se ha establecido un promedio de un ojo por centímetro de lon-gitud; sin embargo, tubérculos.

Esto indica que el tubérculo continúa su crecimiento e incorpora nuevos entrenudos durante un cierto periodo de desarrollo.

Valor nutricional de la papa

Dentro de los componentes nu-tritivos el que se encuentra en mayoría es el agua que constitu-ye en torno al 80% del total.

Le siguen los carbohidratos que constituyen el 16% entre los que hay que destacar el grupo de los almidones. Las proteínas consti-tuyen el 2% siendo casi exclusi-vamente globulina, que aunque no supera a la proteína presente en las carnes, si lo hace en ver-duras, arroz y trigo. El contenido de lípidos es muy bajo siendo aproximadamente el 0.1% .

También es fuente de vitaminas, especialmente en vitamina C, que se encuentra en un rango de 20-50mg/100g de peso fresco.

También se encuentran, en menor cantidad, tiamina (B1), piridoxina(B6) riboflabina (B2), ácido fólico, y trazas de vitamina E y vitamina A

Es también fuente de hierro, magnesio, calcio, fósforo, potasio, sodio, zinc, entre otros. La fibra se encuentra principalmente en las paredes del tubérculo.

3.5. DESCRIPCIÓN DE PROCEDIMIENTO.

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Recepción y almacenamiento:

Las papas que serán decepcionadas serán analizadas las propiedades físicas, organo-lépticas, como el color y tamaño de la materia prima. Así mismo se almacenara en ambiente refrigerado y húmedo

Selección:

Consiste en la eliminación de papas que no cumplen con la característica, como pu-trefacción, gusanados. etc

Lavado:

Es un operación que tiene como objetivo eliminar la tierra y residuos que traiga con-sigo la papa, se realiza en un maquina lavadora de papa, el cual es un módulo de rodi-llos provisto escobillas y dientes, y la proporción de agua y papa será de 1 a 1.

Pelado:

Esta operación consiste en la eliminación de la cascara de papa, y se realizará me-diante el método de pelado químico con soda caustica, en una ollas o marmitas y que el calor será provisto por un caldero.

Enjuagado:

Consiste en pasar agua a chorro frio, a los productos que salen de la marmita, con la finalidad de eliminar las cascaras con mayor facilidad.

Cortado:

Es una operación que consiste en la reducción de tamaño de la papa, de tal forma se obtenga el tamaño adecuado para reducir el tiempo de cocción. Y se realizara con un picadora de tubérculos el cual es apropiado para obtener picado al hilo, bastones. Esto es opcional.

Envasado.

Es una técnica de conservación de los alimentos que hayan sido tratados térmica-mente o se encuentra estado natural, que consiste en la eliminación o extracciones de oxigeno del recipiente que contiene el producto, de esta manera se evita la oxidación y putrefacción del alimento a conservar.

Almacenamiento.

Se almacenara en refrigeración a temperaturas de 1 a 5°C

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3.6. DIAGRAMA DE PROCESO DE LA ELABORACIÓN DE SU PRODUCTO.

control de las condiciones físico químicas control higiénica de cámara de almacenamiento;

humedad, T°. control organoléptico.

LAVADOR DE PAPA. Proliferación microbiana por humedad residual

tras lavado

MARMITA Y CALDERO Control de parámetros de sistema de pelado. control visual, fisico y quimico.

Control de procedencia de agua. control higiénico-sanitario de equipos.

CORTADOR DE PAPA. Control visual y física. Control de parámetros de equipos.

ENVASADOR AL VACIO

CAMARA DE REFRIGERACION

Recepción y Almace-namiento de Materia Prima

Enjuagado

Cortado

Envasado

Pelado

Lavado

Almacenamiento

Selección y clasificación

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MÁQUINAS PARA LA PRODUCCIÓN DE PAPAS PELADAS Y CORTA-DAS.

Las maquinas que se usan son:

la marmita : para el pelado químico Caldera : para la producción de vapor Cámara de refrigeración : para la conservación de los productos

A. MARMITA.

DEFINICION:Recipiente cilíndrico con asas laterales provista de una tapa y cuya altura es más o menos igual a su diámetro.

 FUNCION Transferir calor a los alimentos Realizar procesos de choques térmicos Evitar que los alimentos se adhieran a sus paredes

   CAPACIDAD: 50 -500 Lt

MATERIALES DE FRABRCACION Barro  Hierro Colado Acero inoxidable Aluminio o Cobre estañado. 

TIPO DE MARMITA DISEÑAR

MARMITA A VAPOR

Descripción del equipoEs un sistema de calentamiento indirecto muy utilizado en la industria alimenta-ria, en especial para el procesamiento de frutas y hortalizas. Consiste básicamen-te en una cámara de calentamiento conocida como camisa o chaqueta de vapor, que rodea el recipiente donde se coloca el material que se desea calentar.El calentamiento de puede realizar de dos formas diferentes, una que consiste en hacer circular el vapora cierta presión por la cámara de calefacción, en cuyo caso el vapor es suministrado por una caldera.Esta es denominada marmita de vapor. Otra manera es calentar el agua que se encuentra en la cámara de calefacción por medio de resistencias eléctricas. Esta es la denominada marmita eléctrica.

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Usualmente la marmita tiene forma semiesférica y puede estar provista de agita-dor mecánico y un sistema de volteo para facilitar la salida del producto. Se pue-den encontrar dos tipos de marmitas según sea abierta o cerrada. En la abierta el producto es calentado a presión atmosférica, mientras que en la cerrada se em-plea vacío. El uso de vacío facilita la extracción de aire del producto por proce-sar y permite hervirlo a temperaturas menores que las requeridas a presión at-mosférica, lo que evita o reduce la degradación de aquellos componentes del alimento que son sensibles al calor, favoreciendo la conservación de las caracte-rísticas organolépticas y el valor nutritivo de la materia prima, con lo que se ob-tienen productos de mejor calidad.

Características de construcción

i. MaterialesLa sección interna de la marmita, así como el tubo de descarga, el sistema de agitación y la tapadera deben ser construidos en acero inoxidable. La base que sostiene la semiesfera, así como la tubería para vapor se puede construir en materiales metálicos más económicos.

ii. DimensionesLas dimensiones están determinadas por la capacidad del equipo, que por lo general se expresa en litros. Las más pequeñas tienen una capacidad de 60 litros y luego las hay de 400 litros y más.

Condiciones de operación

Las marmitas de vapor necesitan de una caldera como fuente de vapor. El pro-ducto a calentar o mezclar se debe remover en forma manual o con un agitador incorporado para que el producto no se pegue.i. Vida útil:

La carcasa puede durar veinte años o más. Se deben cambiar las válvulas y la tubería de vapor.

ii. MantenimientoSe debe chequear constantemente la válvula de seguridad para cerciorarse que funciona bien, de lo contrario un aumento descontrolado de la presión puede hacer estallar la marmita.

Aspectos económicos.

Costo del equipo depende de la capacidad y materiales utilizados. Una marmita de vapor con agitador y una capacidad de 200 litros pueden costar alrededor de US$ 4000.

Experiencias existentes

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En varios países de América Latina existen talleres de metalmecánica que fabri-can marmitas eléctricas y de vapor para distintas aplicaciones de la industria alimentaria.

Esquema del equipo

Figura 01: esquema de un marmita.

B. CÁMARA DE REFRIGERACIÓN.REFRIGERACIÓN:

Producción o mantenimiento en un medio de una temperatura inferior a la tempera-tura ambiente.

AplicacionesLa refrigeración puede utilizarse para tres fines, principalmente:

Refrigeración para CONSERVACIÓN. Refrigeración para CONGELACIÓN. Refrigeración para CLIMATIZACIÓN.

MÉTODOS DE REFRIGERACIÓN.

a) Refrigeración por compresión mecánica.En la actualidad el frío se produce principalmente mediante sistemas de refrigera-ción por Compresión mecánica, de forma que el calor se transmite desde la cámara de refrigeración hasta una zona en la que pueda eliminarse más fácilmente. La trans-ferencia de calor se realiza mediante un fluido “refrigerante” que cambia de estado, de líquido a vapor, a una temperatura de ebullición muy baja y con una entalpía o calor latente de vaporización alto. Una vez que el refrigerante está en estado de va-por se comprime mecánicamente (aumentando su presión) de forma que vuelve al estado líquido y vuelve a utilizarse cíclicamente. Se establece así un ciclo termodi-námico cuyo límite teórico sería el ciclo de Carnot.

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El sistema de refrigeración se denomina entonces como sistema de compresión de vaporExiste una amplia gama de refrigerantes comerciales que pueden utilizarse en los sistemas de compresión de vapor. La elección de uno de ellos dependerá de sus ca-racterísticas, de las temperaturas de trabajo previstas, de su posible influencia en el medio ambiente, etc. En cualquier caso, será necesario conocer sus propiedades ter-modinámicas y habrá que disponer de tablas o diagramas similares a los utilizados en el caso del agua. Algunos de éstos refrigerantes son el Freón, el Amoníaco y los clorofluorocarbonos (CFC), actualmente sustituidos por los hidrofluorocarbonos. (HFC) e hidroclorofluorocarbonos (HCFC), y se denominan como R-12, R-717, etc. En este tema, sin embargo, noentraremos en el estudio de los refrigerantes ni de los sistemas de refrigeración.

Figura 02: esquemas de método de Refrigeración por compresión mecánica.

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Figura 03: componentes de cámara de refrigeración.

A. CÁLCULO DE CÁMARAS FRIGORÍFICAS.Además de los cálculos puramente constructivos, el proyecto de una cámara o un almacén frigorífico requiere:

Cálculo de las dimensiones en función de la capacidad de almacenamiento previsto y del tipo de producto a conservar.

Determinación del espesor de aislamiento necesario, en función de las tem-peraturas externa e interna, así como del material aislante elegido.

Cálculo de las necesidades frigoríficas, según sean las pérdidas y ganancias (cargas) de calor.

Elección del equipo más adecuado.

Dimensiones.

El volumen que debe tener un almacén o cámara frigorífica dependerá de la cantidad y del tipo de producto que debe conservarse. Si es necesario, el espa-cio podrá dividirse en varias cámaras independientes. Las cifras dadas se refieren al volumen total de la cámara e incluyen pasillos y otros espacios libres habituales. Una vez obtenido el volumen, se pueden pro-yectar cámaras distintas con las que alcanzar dicho espacio de la forma que sea más conveniente para el funcionamiento del almacén.

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Materiales aislantes.Los materiales aislantes utilizados en la industria frigorífica suelen estar constitui-dos por multitud de celdillas o células que contienen en su interior aire u otros ga-ses en reposo, dando lugar a una conductividad térmica muy pequeña.La utilización de estos materiales es esencial en las instalaciones frigoríficas, limi-tando considerablemente la entrada de calor y reduciendo los costes de instalación y funcionamiento de las mismas.

Según la norma, los distintos materiales aislantes se subdividen en las siguientes clases:

MIF = Materiales Inorgánicos Fibrosos (lana de roca, fibra de vidrio, amian-to), para aplicaciones desde 0 ºC hasta 650 ºC, según el material.

MlF-f flexibles, en forma de fieltros o mantasMlF-s semirrígidos, en forma de planchasMlF-r rígidos, en forma de planchas o coquillas

MIC = Materiales Inorgánicos Celulares (vidrio celular), para aplicaciones desde - 50 °C hasta 100 °C, en planchas rígidas.

MIG = Materiales Inorgánicos Granulares (perlita, vermiculita, silicato cál-cico).

MlG-b para aplicaciones de baja temperatura, de 40 a 100 °C (perlita, ver-miculita)MlG-a para aplicaciones de alta temperatura, hasta 800 °C (silicato cálci-co).

MOC = Materiales Orgánicos Celulares (corcho, poliestireno, poliuretano, espumas elastoméricas y fenólicas), para aplicaciones desde - 50 °C hasta 100 °C.

MRL = Materiales Reflectantes en Láminas enrollables (aluminio, acero, cobre).Por otra parte, la norma indica que “el uso de material aislante a granel, en forma de borra o burletes, estará limitados a casos específicos, que deberán estar expresamente autorizados”.

En particular, algunos de los materiales aislantes que se utilizan generalmente en el aislamiento térmico de cámaras frigoríficas son los siguientes:

a) Corcho, bien sea en aglomerado (k = 0´039 W/(m ºC)), expandido ( k = 0´036 W/(m ºC) ) o en tableros (k =0´042 W/(m ºC)). Es el material más tradicional ya que, si se instala adecuadamente, se conserva bien durante largo tiempo. Tiene una buena resistencia mecánica, siendo adecuado para el aislamiento de suelos de cámaras frigoríficas.

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b) Poliestireno expandido (k = 0´03 a 0´057 W/(m ºC)). Material sintético más moderno, más económico y de montaje más simple, es uno de los más utiliza-dos en instalaciones frigoríficas. No debe utilizarse en el aislamiento de suelos, debido a su baja resistencia mecánica. Se suelen presentar en paneles de 1.20 x 0.60 m con espesores de 60, 120 o 140 mm, siendo los de 120 mm los más co-munes.

c) Espuma de poliuretano (k = 0´023 W/(m ºC) para la mayoría de los tipos). Material sintético económico y de fácil manejo. Puede obtenerse como espuma rígida (poliuretano conformado) o aplicarse en el momento (poliuretano aplica-do in situ). Este último método ha sido muy utilizado, ya que la expansión pue-de realizarse en el interior del molde que se desea aislar. En la actualidad, los paneles prefabricados resultan más baratos y requieren menos mano de obra a la hora de colocarlos. Suele aplicarse únicamente en el intervalo de temperaturas entre –30 ºC y 70 ºC, por lo que no puede utilizarse en túneles de congelación con temperaturas muy bajas ni, por ejemplo, en tuberías de vapor.

d) Espuma sólida de vidrio (foamglas) o vidrio celular ( k = 0´044 W/(m ºC)). Se presenta en bloques rígidos que permiten su utilización como elementos re-sistentes y de cerramiento, pudiendo ser utilizado en suelos y superficies carga-das. Esto abarata la obra civil de la cámara, ya que sustituye a los materiales tradicionales más su correspondiente aislamiento.

e) Fibra de vidrio, lana de vidrio o lana mineral, cuya aplicación se limita a temperaturas superiores a 0 ºC. Se distinguen hasta seis tipos, dependiendo de su densidad (desde semirrígidos hasta rígidos), con conductividades entre 0´033 W/(m ºC) y 0´044 W/(m ºC) (tabla 4.2). Si no se especifica el tipo, se toma un valor medio de conductividad de 0´035 W/(m ºC)

.Espesor de aislamiento.

El cálculo del espesor que tiene que tener la capa de aislante tiene una cierta impor-tancia práctica. Así, si la cámara se aísla deficientemente será necesario invertir en mejores equipos frigoríficos y aumentarán los gastos energéticos. Por el contrario, si se aísla en exceso los equipos de refrigeración y el consumo serán menores, pero aumentará el coste del aislamiento. Es necesario, por tanto, establecer un cierto equilibrio entre ambos extremos.En principio, el espesor del aislante vendrá dado por el flujo de calor que exista, por la diferencia de temperaturas externa e interna, por la superficie a aislar, y por el tipo de aislante seleccionado. Este cálculo puede realizarse siempre que se conoz-can todos los datos y suponiendo que el aislamiento se realice mediante una única capa de aislante. En realidad, suele recomendarse que el aislamiento se realice en dos capas al menos.

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En la práctica no suele conocerse el flujo de calor, por ello se recurre a ciertas re-glas o normas prácticas. Así, por ejemplo, se suele estimar que el flujo de calor por unidad de superficie para un aislamiento de corcho en cámaras frigoríficas que de-ben ser mantenidas a 0 ºC se sitúa entre 8 kcal/(h m2) y 12 kcal/(h m2).

Transmisión de calor.Según sea el material o materiales aislantes, puede calcularse la transmisión de ca-lor entre el exterior y el interior de la cámara, a partir de la expresión ya conocida:

Q= Q/t = U A ΔT

Donde:U es el coeficiente global de transmisión. En su cálculo suele despreciarse la contri-bución por convección a ambos lados, así como el aislamiento producido por los materiales de construcción externos a la cámara. La aportación de ambos al valor de U es pequeña y además la simplificación realizada permite realizar los cálculos con mayor margen de seguridad ya que suponemos una transmisión de calor mayor que la real.

B. CÁLCULO DE CARGAS EN REFRIGERACIÓNSe denomina carga de enfriamiento o de refrigeración a la velocidad con la que es preciso retirar calor desde un recinto para bajar su temperatura hasta un valor de-seadoDicha velocidad tendrá unidades de energía por unidad de tiempo, y suele expre-sarse en: kW, kJ/día, kcal/día, kcal/h, etc. También es frecuente denominar “frigo-ría” a la kilocaloría cuando el calor es extraído.Precisamente, el punto de partida para el diseño de cámaras frigoríficas es evaluar sus necesidades o “cargas” de refrigeración, pudiendo así establecer cuál será el equipo frigorífico más adecuado para compensar dichas ganancias de calor (pérdi-das frigoríficas). Evidentemente dicha carga puede ser variable a lo largo del tiem-po, por ello se suele realizar una estimación de las necesidades máximas.

a) Pérdidas por transmisión.Se incluyen aquí las pérdidas frigoríficas, es decir, las pérdidas de calor, que se producen por transmisión a través de las paredes de la cámara. Será necesario conocer la diferencia de temperaturas, la superficie de cada pared, el espesor del aislante en cada pared y el tiempo (generalmente se toma como base un día, es decir, 24 horas). Se utiliza entonces directamente la expresión para la transmi-sión del calor:

Qt = k (A/d) ΔT

Donde, como ya se dijo, se desprecian las contribuciones por convección y las contribuciones del material deconstrucción. Este cálculo debe realizarse para cada pared, ya que la superficie, el espesor o la diferencia detemperaturas puede

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ser diferente. La pérdida total por transmisión será la suma de la pérdida a través de cada pared.

b) Enfriamiento y/o congelación de productos.

El enfriamiento del producto suele ser la mayor de las cargas de refrigeración, ya que es el objetivo final del proceso. Para estimar esta carga hay que tener en cuen-ta:

Plazo de tiempo del que se dispone para el enfriamiento y/o congelación. Cantidad de producto que hay que enfriar en dicho plazo. Temperatura a la que hay que enfriar el producto. Recipiente en el que se almacena el producto.

Los dos primeros factores se suelen reunir en el concepto de “recepción máxima diaria”, es decir, en la cantidad máxima de producto que la cámara recibirá al cabo del día, Md. En algunos casos esta cantidad será muy inferior a la capacidad máxi-ma de la cámara, mientras que en otros, como las cámaras de pre enfriamiento de centrales hortofrutícolas, ambas cantidades coinciden.Para calcular la cantidad de calor que debe extraerse de la cámara debemos cono-cer las temperaturas de entrada, de enfriamiento y, en caso necesario, de congela-ción del producto, así como su calor específico.

Sólo enfriamiento: •Qe = Md cp (T1 – T2)

Enfriamiento y congelación: •Qe = Md cp (T1 – Tc) + Md Ls + Md cc (Tc – T2)

Donde:.Qe = Carga de enfriamiento (J/día)Md = Recepción máxima diaria (kg/día)T1 = Temperatura de entrada.T2 = Temperatura de conservación. Tc = Temperatura de congelación del productoLs = Calor latente de congelación, fusión o solidificación (J/kg) cp = Calor específico del producto (J/(kg ºC)) cc = Calor específico del producto congelado.

c) Conservación de productos.Algunos productos refrigerados, especialmente productos hortofrutícolas, conti-núan desprendiendo cierta cantidad de calor una vez que han alcanzado su tempe-ratura de conservación. Este calor se denomina calor de respiración, y debe ser extraído de la cámara para evitar aumentos de temperatura. Si denominamos Qr a ésta cantidad, el calor por necesidades de conservación por día será:

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.Qr = Mt qrDonde: Mt será la cantidad de producto total que se encuentra almacenado.

d) Pérdidas por renovación de aire.El aire de la cámara frigorífica debe ser renovado periódicamente con una fre-cuencia que depende del tipo de producto que se almacene. Por ejemplo, en el caso de carnes refrigeradas, quesos en maduración y huevos el número de renova-ciones será de 2 a 4 cada día. En el caso de centrales hortofrutícolas el número puede ser menor, aunque dependerá del tipo de producto almacenado y de si se realiza, o no, algún tratamiento químico.El aire que entra en la cámara se enfría y se seca, produciéndose por tanto dos cargas por renovación de aire. En el cálculo de las mismas resulta útil el conoci-miento de las propiedades psicrométricas del aire, así como la utilización del dia-grama psicrométrico. En el enfriamiento intervendrá la diferencia de temperaturas entre el aire externo y el interno, mientras que la condensación del agua aporta un cierto calor latente. Ambas contribuciones se encuentran reunidas en la definición de entalpía del aire. La expresión a utilizar será, por tanto, la siguiente:

.Qa = n ma Δh*

Siendo: n = Número de renovaciones de aire al día.Ma = masa de aire que entra en la cámara; ma = V/v*V = Volumen interno de la cámara.v* = Volumen específico del aire que entra.Δh* = Diferencia de entalpías entre el aire externo y el interno.

Ya que la condensación del agua se produce en los evaporadores, será necesario descongelarlos periódicamente utilizando resistencias eléctricas, cortinas de agua o invirtiendo el sentido de circulación del gas refrigerante.

e) Otras cargas térmicas.Para completar el cálculo de cargas pueden estimarse otras cargas térmicas de menor importancia, entre las que destacamos: Calor desprendido por los ventiladores. Los ventiladores situados en los

evaporadores generan una cierta cantidad de calor durante su funcionamiento. La determinación exacta de ésta contribución resulta difícil a priori, ya que inicialmente no se conoce cuál equipo se va a instalar, y por tanto cuál será la potencia de dichos ventiladores. Ya que la contribución al total de cargas es pequeña, se suele dar una cifra aproximada, qv , de entre 10 y 50 kcal/m3 al día. Si se conoce o se estima la potencia, solamente habrá que multiplicarla por el tiempo que esté funcionando el ventilador.

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En definitiva, la contribución por el calor desprendido por los ventiladores será:

.Qv = P t ó •Qv = V qv

Necesidades por servicio. Nos referimos aquí a las pérdidas frigoríficas debidas a la iluminación de la cámara, la circulación de personas, la apertura de puertas, condensaciones, descarche, enfriamiento de los recipientes donde se almacena el producto, etc. Suele estimarse que el total de pérdidas se sitúa entre el 10 y el 25% de las pérdidas por transmisión. Se suele estimar que todas estas pérdidas constituyen alrededor del 15% de las pérdidas por transmisión, enfriamiento y/o congelación y conservación:

.Qs = 0.15 (•Qt +•Qe +•Qr)

f) Carga total.Llamaremos carga total ó carga total diaria a la suma de todas las cargas produ-cidas en un día (24horas):

QT =•Qt +•Qe +•Qr +•Qa +•Qv +•Qs kJ/día

Dividiendo esta cantidad entre el número de horas de funcionamiento de los equi-pos frigoríficos (H, entre 10 h y 24 h) obtendremos la carga térmica horaria:

.Qh =•QT / H kJ/h

Y dividiendo la carga térmica horaria entre 3600 s, obtendremos la potencia teó-rica de los equipos frigoríficos. En la práctica se suele añadir un margen de segu-ridad del 10%, entonces:

P = 1´1 (•Qh/3600) kW ó W

Otros aspectos a tener en cuenta:

Deben evaluarse las necesidades frigoríficas máximas en la etapa del llenado de la cámara. Si una vez cargada la mercancía permanece un cierto tiempo y no se añade más, las necesidades quedan fuertemente reducidas.

Es prácticamente imprescindible la existencia de automatismos de arranque y parada de los equipos frigoríficos, de forma que no se consuma más energía que la necesaria.

La potencia frigorífica total debe ser fraccionada en varios equipos, de forma que cuando las necesidades son pequeñas algunos motores queden inactivos.

Existen programas informáticos que van solicitando datos y realizan todos los cálculos anteriores de forma automática.

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BALANCE DE MASA.

Base de cálculo: =1200kg de patatas.

Perdida en la selección y clasificación =0.583% =70kgPerdida en lavado=0.0265% =30kg

Perdida en pelado química=0.0081% =9kg

Perdida en el enjuado0.00098% =1kg

Peso total de perdida =110 kg Peso de patatas peladas =1100 kg

4.1. DIAGRAMA DE BALANCE DE MASA EN FUNCION AL MATERIA PRIMA (PAPAS)

1200 kg papa

% 0.583 70kg

1130kg 0.0265% 30kg 1110kg

0.0081% 9kg

1101kg

0.00098% 1kg

1100kg

1100kg

1100 kg

Recepción y Almacena-miento de Materia Prima

Enjuagado

Cortado

Envasado

Pelado

Lavado

Almacenamiento

Selección y clasificación

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1100 Kg

DISEÑO DE EQUIPOS Y BALANCE DE ENERGÍA

A. DISEÑO DE UNA MARMITA

Para realizar el escaldado de los 120 kilos de papa con insumos en dos marmitas en forma de baht la marmita es cilíndrica, de fondo semiesférico con chaquetas , esta última parte es la que se va considerar como el área de calefacción, el material en la parte inferior es de carbón de calidad aisi.1010 ; material exterior será pintado con epóxido y con conexiones de entrada y salida. a continuación detallamos los cál-culos necesarios :

a. Determinación de volumen de marmita.

papa 120 kgmasa de agua para escaldado (R: 2.5 a 1) 300 kg densidad de agua 1000kg/m3tiempo 20 minutos temperatura de papa 18C°

Dimensiones de la papa:

largo 10.5 cm 472.5cm3

0.0004725m3ancho 9 cmaltura 5 cmpeso 479.5g = 0.4795kgdensidad aparente de papa 1014.8 kg/ m3

numero de marmitas a utilizar 2 numero de Bach / día *marmita 5masa de papa / día 60 kg volumen de la papa/ marmita 0.06 m3

masa de agua día / marmita 150kg volumen de agua/ marmita 0.15 m3

volumen de marmita requerida 0.21 m3

al volumen se agrega un 15 % por seguridad

0.2415 m3

b. Determinación de la altura de la marmita

VT=V cilindrica+Vsemiesferica… ………………………ec01

20

Donde:

VT: volumen total dela marmita………………………………0.2415 m3

Volumen del cilindro =п∗r2∗H

Volumen de la semiesférica =23∗п∗r3

Se considera H= r

Además se sabe que la relación h=12∗D=r

Reemplazando en la ecuaciones delos volúmenes en la ecuación 01.

VT =п∗r2∗H+ 23∗п∗r3

Factorizando tenemos :

VT =53∗п∗r3

r=3√ 3∗VT5∗п

… …………………………… ..………ecuacion . 02

Reemplazando valores en la ecuación 02

El radio dela marmita:

r=3√ 3∗0 .24155∗п

r∫ ¿=0 .3586 m¿

Diámetro de la marmita:

12∗D=r D=r∗2 D=0.3586 m∗2

D=0.7172mReemplazando los valores en las relaciones dela altura se tiene:

H=r=radio dela marmita0.3586 m

h=1∗D /2=0.3586 m

H total=H+h=0.7172m

c. Calculo del espesor de la marmita :

Según el código de diseño de ASTM Y API –ASTM, se tiene la siguiete relación para presiones bajas de trabajo u operaciones con la ecuación de BORROW.

t= P∗RS .E−0.6∗P

………………………. ……………. ecuacion 03

Donde:

21

Constante = 0.6S = esfuerzo de tracción (50°c-120c°) = 4471 Lbf/ pulg2

E = eficiencia de la junta de soldadura = 65%

Para La junta simple reforzada se tiene el 65% código de ASME (sociedad america-na de ingenieros mecánicos)

P = presión máxima de trabajo manométrico P= presión en pulgadas = 9.92 Lbf/ pulg2

Se añade el 40% de factor de seguridad a la presión =13.89 Lbf/ pulg2

R= radio interno de la marmita (0.36m) = 14.17 pulg

Reemplazando en la ecuación 03, se tienes que el espesor es :

t= 9.92∗14.174471∗0.65−0.6∗9.92

=0.048 pulg∗0.0254 m1 pulg

=0.00123 m

T= espesor de la pared de la marmita =0.00123 m

Espesores que existen en el mercado:

pulg pulgadas

metros (m)

mm

5/32 0.15625

0.0040 3.96875

13/62 0.203125

0.0052 5.159375

1/16 0.0625 0.0016 1.58753/32 0.0937

50.0024 2.38125

1/8 0.125 0.0032 3.1751/4 0.25 0.0064 6.353/8 0.375 0.0095 9.5255/8 0.625 0.0159 15.8757/8 0.875 0.0222 22.225

Cuadro 01: espesores que se encuentran en el mercado.

El espesor es: En nuestro caso se asemeja al 1/16 = 1.5875 mm

22

d. Determinación del área y masa de la marmita :

A=2∗п∗r ext∗H+п∗r ext 2 …………………………………ecuacion 04

Donde:

r ext=radio exterior=r interior+t=0.3586 m+0.0016 m

r ext=0.3602 m

H = altura de la marmita= 0.7172 m

Hallamos el área de marmita reemplazando valores en la ecuación 04

A=2∗п∗0.3602∗0.7172m+п∗0.36022=2 .031 m2

AV =A . t …………………………… ……………………………ecuación05

El volumen de marmita (acero) se obtiene, reemplazamos en la ecuación 05.

V= 2.031m2* 0.001 6m= 0.00323m3

Densidad de acero inoxidable = 7913kg /m3

Masa de marmita de acero inoxidable

Masa equipo=ρ acero∗V acero …………… …………ecuación06

Masa equipo=7913 kgm3 ∗0.00323 m3=25.56 kg

GRAFICA DE MARMITA:

23

B. BALANCE DE ENERGÍA EN LA MARMITA.

Energía de entrada – energía de salida = energía de acumulación

E3

E4

E1 E5

E2 E6

E7

Q

Figura 03: representación esquemática de energía en marmita

Donde:

a) energía que entran a la marmita.

E1= energía que entra con la papa

E2= energía que entra con agua de pelado

Q= Calor suministrado.

b) Energía que sale de la marmita.

E3= energía que sale del vapor de agua

E4= energía que sale delas papas

E5= energía necesaria para el calentamiento del equipo.

E6= energía que sale con agua condensada

E 1+E 3+Q=+E 4+E 5+E 6+ E 7+E 8…………………. …… .. Ecuación07

DESARROLLO.

MARMITA

24

A. ENERGÍA QUE INGRESA AL SISTEMA.

A. Energía que entra con la papa.

E 1=Masa de la papa∗Cp∗(Te−Tr )………………… …ecuación08

Donde:

Masa de papa= =60kg

Cp. de papa= teórico = 3.517kj / kg°C

Te= temperatura de entrada = 18°C

Tr= temperatura de referencia = 0°C

Reemplazando en la ecuación 08

E 1=63 Kg∗. 3.517 kjkg∗° C

∗(18−0 ) °C=3988.3 kJ

B. calor suministrado.

E 2=Masa vapor∗Cp∗(hg−hf )………………… ………ecuación09

Donde:

Masa de vapor = ……….. Cp. de papa = ………… hg= entalpia de vapor saturado a120 °C = ……….. hf= entalpia de líquido saturado a120 °C = ……….

C. Energía que entra con el agua de pelado-blanqueado.

E 3=Masa agua∗Cp∗(Te−Tr )…………………………ecuación10

Masa de agua = 150kg

Cp. de agua= teórico = 4.18kj / kg°C

Te= temperatura de entrada= =18°C

Tr= temperatura de referencia = = 0°C

Reemplazando en la ecuación 10

E 3=150∗4.18 kjkg∗°C

∗(18−0 )=11286 KJ

25

B. ENERGIA QUE SALE DEL SISTEMA.

a) Energía que sale del vapor de agua.

E 4=Masa de vapor∗ʎ …………………… ..……………ecuación11

Donde:

Masa de vapor= masa de agua =2.5kg

ʎ . Calor latente de vaporización de agua a90 ° =2282.5 kg

Reemplazando en la ecuación 11.

E 4=2.5 Kg∗.2282. 5 kjkg

=5706.25 kj

b) Energía que sale con papa.

E 5=Masa papa∗Cp∗(Ts−Te)…………………………ecuación12

Masa de papa = =60 kg

Cp. de papa= teórico = =3.517 kj / kg°C

Ts= temperatura de salida= =75°C

Te= temperatura de entrada = = 18°C

Reemplazando en la ecuación 12

E 5=60∗3.517 kjkg∗°C

∗(75−18 )=12028.14 KJ

c) Energía necesaria para el calentamiento del equipo

E 6=Masaacero∗Cp acero∗(Ts−Te)……………………ecuación13

Donde:

Masa de acero = 25.56 kg

Cp. acero teórico = calor especifico de acero = 0.456kj/kg°C

Tf= temperatura final = 90°C

Te= temperatura de entrada =18°C

Reemplazando en la ecuación 12

E 6=25∗0.456 kjkg∗°C

∗(90−18 )=820.8 KJ

26

d) Energía que se pierde por conducción y convección.

En este caso las perdidas por convección y conducción son iguales , como se ve en el grafico siguiente.

90°C

18°C

Figura 01: representación esquemáticamente de temperatura de la marmita.

E 7=Qconveccion=hc∗A∗∆ T∗θ ……………………. …ecuación 15

Donde:

Hc coeficiente convectivo del aire =

A Área externa de transmisión de calor =2.031m2

T1 temperatura de ambiente =18°C

T2 temperatura de superficie…(anexo1.) =90.194°C

θ tiempo =0.3 horas

e) Determinación de coeficiente convectivo del aire (he)

El número adimensionales de prandt y grashof, se determina con las siguientes ecua-ciones…

N Pr=Cp∗❑

K………………………………………………………… Ecuacion16

NGr=(L3∗ρ2∗g∗ϐ∗∆T )/❑2…………… …………………….Ecuacion17

Ta= temperatura del ambiente =18°C

Ts= temperatura de superficie =90.194°C

Propiedades físicas se evalúan la temperatura media de la película.

T f =Ta+Ts

2

T1

T2

27

T f =18+90.194

2=54.097 °C=327.247 ° K

Utilizando tablas de C-9; De Earle (1992); se busca la propiedades del aire a 54.097°C.

Donde:

Cp = calor especifico del aire =1007j/kg°C

= Viscosidad del aire =0.00001978 Pa-s

K=conductividad termica del aire =0.0277w/m°C

ρ= Densidad del aire =1.079kg/m3

L= altura del equipo =0.7172m

g = gravedad especifica =9.8m/s2

ϐ= coeficiente volumétrico de expansión del fluido (1/Tf) =0.003056/°K

∆ T = diferencia positiva de temperatura entre la pared y la del medio ambiente

Ts- Tf= 90.194 - 54.097 =36.097°C

Reemplazamos datos en la ecuación 16-17, se tiene:

N Pr=1007∗0.00001978

0.0277=0.719

NGr=( 0.71723∗1.0792∗9.8∗0.003056∗36.097 )

0.000019782 =12297949573

N Pr∗NGr=0.719∗1229794573=884189942.7

Según Earle, 1992, se tiene la siguiente relación:

N Pr∗NGr>109hc=1.8 ( ∆ T )0.25 ……… Ecuacion18

N Pr∗NGr<109Y a 104 hc=1.3( ∆ TL )

0.25

…. ecuacion 19

Como es menor de 109, reemplazamos en la ecuación 19

hc=1 .3( 36.970.7172 )

0.25

=

3.48 Wm2 ° K

∗J

W∗S∗3600 S

h∗kj

1000 j= 12.54 kj

h∗° K∗m2

Reemplazando los datos en la ecuación 15

28

E 7=Qconveccion=12.54∗0.7172∗36.097∗0.5=162.325 kj

f) Energía que sale con el agua de pelado.

E 8=Masa Agua∗Cp∗(Ts−Te)…………………………ecuación20Donde:

Masa de agua = 150kg Cp. de agua= teórico = 4.18kj / kg°CTe= temperatura de entrada = 90°CTe= temperatura de entrada =18°C

Reemplazando en la ecuación 20.

E 8=150∗4.18∗(90−18 )=45144 kj

De la ecuación 7, despejando Q, se obtiene.

EL CALOR TOTAL NECESARIO PARA UNA MARMITA DE UN BACH

QT=(E 4+E 5+E 6+E 7+ E3)−(E 1+E 3)

QT= (5706.25+12028.14+820.8+162.325+45144 )−(3988.3+11286 K )

QTOTAL=48587.22 KJ

Por factor de seguridad se agrega 20%

48587.22∗0.2=9717.444

QTOTAL=48587.22+9717.444=58304.664 KJ

g) cálculo de la cantidad de vapor necesario para el pelado químico de papas.

Mv= QThg−hf

………………………………………………………ecuación 21

Mv = masa de vapor

QT= calor total = 58304.664kj

Hg= entalpia de vapor saturado a 120°C = 2706 kj/kg

Hf= entalpia de líquido saturado a 120°C =503.81KJ/kg

Reemplazando en la ecuación 21, se tiene:

29

Mv= 58304.6642706−503.81

=26.5 kg .

Como son dos marmitas la masa total = 26.5*2= 53 KG DE VAPOR /BACH

BALANCE DE ENERGÍA EN LA CAMARA DE REFRIGERACION.

El cálculo se realiza por cantidad de papas peladas que se producirá en un día es decir por las 2 marmitas cada una con 5 bach t y su almacenamiento tiene que calcularse para esa cantidad.

A. DISEÑO DE CÁMARA DE REFRIGERACIÓN.

Cantidad de papas peladas por día =1100kg Número de días de almacenamiento =5 díasMasa total de las papas que se almacenara =5500k

Calculo de volumen de 50 kg de papas.

Densidad aparente =1014.8 kg/ m3

Volumen de 50 kg de papa = 0.0492 m3

Dimensión de las jabas de almacenamiento de patatas peladas.

(Las dimensiones se eligió con los que existen el en mercado)

Longitud =0.50 m

Ancho =0.40m

Altura =0.30 m

Volumen ocupado por canastilla =0.06m3

Volumen útil de la canastilla para las papas (84.02%) = 0.05m3

Kilos de papas a almacenar por jaba = 51kg

Numero de canastillas necesarias = 107.8 =108 jabas

Área que ocupa la jaba: =0.2m2

Área de la tarima = 2.25 m2

Numero de jabas por tarima = 12 jabas

Numero de rumas =3 rumas

Numero de jabas /tarima = 36 jabas

Número de tarimas necesarias=2.99 =3 tarimas

Geometría de las tarimas

30

Longitud =1.5 m

Ancho =1.5m

Altura =0.2 m

Determinación del área de cámara de refrigeración:

En esto se usara método escala.

Área ocupada por las tarimas (3) =6.75m2

Espacio (área) entre las paredes de las tarimas = 19m2

Espacio entre tarimas =3m2

Área total de almacén =28.75m2

A. REFRIGERADORA PARA EL PRODUCTO FINAL.

Longitud =8.5 m

Ancho =3.0 m

Altura =2.5 m

Volumen total =63.75m3

Cálculos previos para el almacén de los productos terminados:

Áreas laterales = 57.5m2

Área del piso =25.5m2

Área del techo =25.5m2

Área total = 108.5m2

Temperatura de almacenamiento= 4 °C =277.15°K

Espesor mínimo de aislante ( poli estireno) = 4 pulgada =0.1016m

temperatura de almacenamiento (°c)

espesor de corchopulgadas

poliuretanopulgada

poli estireno moldea-do Pulgada.

10 a 15 3 2 54 a 10 4 3 3-4 a 4 5 3 4-9 a -4 6 4 4-18 a -9 7 4 5-26 a-18 8 5 6-40 a -26 10 6 7

31

Tabla02: dimensiones de aislantes para refrigeradoras.Fuente: Geankopolis -1990

A cada una de las paredes se le agregara o si quitara sea el caso

Al techo se le agrega por contacto con el aire 2 pulgadas. = 0.0508m

A piso se le quita 2 pulgadas =-0.0508m las pare-des se mantendrá con el mismo espesor del aislante = 0. 0000m

Por lo tanto el espesor de los aislantes en cada una de las paredes es:

Paredes laterales = 0.1016m

Techo =0.1524m

Piso =0.0508m

B. DETERMINACIÓN DE LA CARGA DE REFRIGERACIÓN:

a) Determinación de la carga térmica de perdida atreves de la pared, techo y piso.

Q1=A∗U∗(T 1−T 2 )……… ……………………………….Ecuacion22

Es la carga térmica debido por el aislantes que varía de acuerdo a su espesor en paredes, techo y piso.

Donde:

A = área de transferencia de calor: paredes techo y piso =108.5m2

K = conductividad térmica del aislantes = 0.036W/m°C

T1=temperatura exterior de la cámara =18°C

T2= temperatura interior de la cámara =4°C

X= espesor mínimo del aislante =0.1016

U =K / X=0.036/0.1=¿ 0.354W/m2°C

Reemplazando los valores en la ecuación 22 se tiene:

Q1=108.5∗0.354∗(18−4 )=537.73 kjdia

32

b) Carga térmica debido al volumen del aire emanado (puerta .infiltraciones )

El números de cambios de aire en 24 horas , para los cuartos de almacenamiento a consecuencia de las infiltraciones y aperturas de la puerta , es de acuerdo al vo-lumen de la cámara y el nivel de la temperatura de la mismo ,es decir que es in-versamente proporcional el volumen de la cámara , las veces que se abre la puer-ta.

Q2=V C∗ρ∗N °∗( H 1−H 2 ) ………………………………… Ecuacion 23.

Donde:

Vc= volumen de la cámara =63.75m3

N°=número de veces que se abre la puerta o el número de cambios de aire= 15 veces

H1= entalpia de aire que ingresa a 15 °C =2530.24Kj/kg

H2= entalpia de aire que sales a 4°C =2513.37kj/kg

ρ aire= densidad dela aire = 1.2575kg/kg/m3

Reemplazando los valores en la ecuación 23 se tiene:

Q2=63.75∗1.2575∗15∗(2530.24−2513.37 )=¿ 20285.91 kj/dia

c) Carga térmica de la materia prima

Q3=m∗Cp∗(T 1−T 2 ) ………………………………………. Ecuacion24

Dónde:

m = masa papa = 4400kg

Cp. = calor especifico de la papa =3.517kj/ kg°C

T1= temperatura de entrada antes de almacenar = 18°C

33

T2= temperatura a almacenar =4°C

Reemplazando los valores en la ecuación 24 se tiene:

Q3=4400∗3.517∗(18−4 )=216647.2 kj/dia

d) Carga térmica de la las jabas.

Q4=mj∗Cp∗(T 1−T 2 ) ………………………………………. Ecuacion25

Dónde:

Peso de jaba plástico para las papas = 2.0kg

Cantidad de jabas =108 jabas

mj = masa jaba = 216kg

Cp. = calor especifico de la jaba =1.906kj/ kg°C

T1= temperatura de entrada antes de almacenar = 18°C

T2= temperatura a almacenar =4°C

Reemplazando los valores en la ecuación 25 se tiene:

Q4=216∗1.906∗(18−4 )=5763.74 kjdia

e) Carga térmica de la iluminación

Q5=3.6∗7∗Z∗A …………………………………………. …. Ecuacion26

Dónde :

Z= tiempo en horas por día que se usan las luces = 3h

A= área de techo =25.5m

Reemplazando los valores en la ecuación 26 se tiene:

Q5=3.6∗7∗3∗25.5=642.6 kjdia

f) Carga térmica de los operarios:

Q6=Tp∗Cp∗Np …………………… …………. ……………… ….. Ecuacion27

34

Donde:

Tp=total de personas en el interior dela cámara =3 personas

Cp=calor emitodo por cada persona en una hora: = 5870.152kj/h

Np=número de horas que cada persona permanece en el interior = 2.0h

Reemplazando los valores en la ecuación 27se tiene:

Q6=3∗5870.152∗2.0=35220.912kj /dia

g) Carga térmica de la tarima

Q7=mt∗Cp∗(T 1−T 2 )………… ……………………………. Ecuacion28

Dónde:

Peso de tarima = 25kg

Numero de tarimas =3trimas

mt = masa tarima = 75kg

Cp. = calor especifico de la tarima =0.45kj/ kg°C

T1= temperatura de entrada antes de almacenar = 18°C

T2= temperatura a almacenar = 4°C

Reemplazando los valores en la ecuación 28 se tiene:

Q7=75∗0.45∗(18−4 )=472.5 kj/dia

h) Carga térmica de los ventiladores

Q8=. Q∗∆ Pnm∗nv

…………………………………………… ………. Ecuacion2

Calculo de caída de presión en los ventiladores:∆ P

∆ P=4.5 pulg agua∗248 Papulgagua

=1116 Pa

Calculo de .Q

Velocidad del Ventilador = V =3.4m/s

Área de evaporador: = 0.75*0.3m2

. Q=A∗V=0.75∗0.3∗3.4=0.765 m3 /s

Se asume eficiencia del motor y ventiladores

N m= eficiencia del motor = 0.9

35

N v=eficiencias de ventilador =0.6

Reemplazando los valores en la ecuación 29 se tiene:

Q8=0.765∗1116

0.9∗0.6 =

1581 JS

∗3600

H∗24 H

Dia∗kj

1000 j =136598.4 kj /dia

Q TOTAL=Q1+Q 2+Q3+Q 4+Q 5+Q 6+Q 7+Q 8 …………… Ecuacion30

Reemplazando los valores en la ecuación 30 se tiene:

537.73+20285.91+216647.2+5763.74+642.6+35220.912+472.5+136598.4

Q TOTAL= 416168.99 kjdia

Como el factor de seguridad es 30%, se agrega esta cantidad a QT:

Q TOTAL=541019.69 kjdia

C. CALCULO DE LA POTECIA DEL COMPRESOR REAL.

La compresora trabaja 18 horas /día aproximadamente.

Potencia del compresor = 30056.65kj/h

Frigorías necesarios =7183.54kcal/h

a) Propiedades del refrigerante: freón 12.

Tc= temperatura del evaporador = (4-10)°C = -6°C

Temperatura del condensador = T ambiente +10°C = 28°C

Considerando la refrigeración como isotrópico.

D e las tablas de John Perry, delas propiedad del freón 12, tenemos

A temperatura de -6°C: DEL EVAPORADOR

H1= entalpia de vapor saturado = 44.10kcal/kg

P1= presión =2.514 kg /cm2

S1= Entropía 1 =0.16719 kcal/kg.°C

A temperatura de 28°C=DEL CONDENSADOR.

H3= H4 =Hf =14.75 kcal/kg

36

P2= p3 =7.131 kg /cm2

De las tablas de vapor de sobrecalentado.

P=presión =7.131 kg /cm2

S= entropía =0.16719 kcal/kg°C

H2= entalpia2 =48.3 kcal/kg

b) Cálculos del coeficiente del performance: COP

COP=H 1−H 4H 2−H 1

……… ………………………………………………. ecuacion31

Reemplazando los valores en la ecuación 31 se tiene:

COP=44.1−14.7548.3−44.1

=6.99

Potencia del compresor = 30056.65kj/h

QT =7183.54kcal/h

Potencia del compresor = 1.60 Hp

c) Masa del refrigerante (Mr)

Mr= QTH 1−H 4

… ……………………………………………………. ecuacion32

Reemplazando los valores en la ecuación 32 se tiene:

Mr= 7183.5444.10−14.75

=

244.75 Kgh

∗h

3600 S=0.068 Kg

S

La potencia calculada es ideal:

las maquinas compresoras no trabaja al 100% de la capacidad, es por esa razón que es necesario calcular la potencia real de la maquinaria compresora:

Las maquinas compresores tienen una eficiencia de 60 %.

H=W 1Wr

∗100 ……………………………………………………….ecuacion 33

Donde:

H= eficiencia =60%

37

W1= Potencia ideal =1.60Hp

Reemplazando los valores en la ecuación 33 se tiene:

Wr=1.660

∗100=2.67

Por lo tanto se necesitara una cámara de la refrigeración, con una potencia real de 3Hp, que es recomendado.

DISEÑO DE EQUIPO DE PRODUCCON DE VAPOR – CALDERO

Según los cálculos realizados en la balance de energía de la marmita para la produc-ción de papas peladas , en donde se ha determinado la cantidad de vapor que se nece-sita para un bach .

La caldera a tomar en cuanta será una caldera vertical

La función del caldero es que los gases calientes circulen por el interior del tubo, ca-lentando de esta manera el agua almacenada a una presión, para producir vapor de agua.

A. DISEÑO DE LA CALDERA

Numero de Bach al día (5)= 5*53Horas de trabajo /día = 2 horas

Mv = masa de vapor en el proceso = 265 kg /día

Mv =132.5 kg/h

Mv = 291.5lb/h

Sin considerar masa de vapor para otros fines como limpieza de materiales, equipos y etc.la masa de vapor será:

Mv total = 291.5 lb /h

Calculo de calor para evaporar el agua.

Q1=m agua∗( H 1−H 2 )…………………………… ……Ecuacion34.

Donde:

M= masa del agua a calentar = 87.45lb/h

H1=entalpia de líquido saturado hf (60.8°F=16°C) = 28.861btu/lb

H2=entalpia de vapor saturado hg a 125psia (248°F=120°C) =947.2btu/lb

Reemplazando los valores en la ecuación 34 se tiene:

38

Q1=291.5∗(947.2−28.861 )=267236.65 Btuh

Calculo de la superficie de transferencia de calor.

A= QU∗∆ T

………………… ………………………………………… Ecuacionc35

Donde:

A= área de transferencia de calor

Q= calor generado por la evaporación del agua.

U= Coeficiente de transferencia total

∆ T=gradiente de temperatura

U= 11h .

+ x1k1

+ x 2k 2

+ x3k3

+ 1h ..

…………………………………… Ecuacionc35

Donde:

h. = coeficiente de trasferencia de película de agua.

h..= coeficiente de película de los gases de combustión

X1=espesor de las incrustaciones de la dureza del agua

X2=espesor del tubo de hierro

X3= espesor de la capa de hollín

K1= conductividad térmica de las incrustaciones

x1k 1

+ x2k2

+ x3k 3 Son las resistencias específicas que se depositan en las tuberías de una

caldera que recién se ponen en función, los tubos están completamente limpios, por si-guiente las ecuación 35 se reduce:

U = 11h ,

+ 1h , ,

…………………………… …………………….. …… Ecuacionc 36

Calculamos h,

h ,=0.725∗[( k3∗ρ2∗g¿ D

∗ʎ

(Ts−Tw) )]1/4

………………………ecuacion37

❑

39

Donde:

Temperatura de la alimentación del agua dela caldera = 60.8°F=16°C

Presión de trabajo del caldero = 125psia

Propiedades del agua a248°F= 120°C

K= conductividad térmica de agua =0.0159Btu/ft*h*°F

ρ =Densidad del agua =58.87lb/ft3

g = gravedad universal =416687846ft/h2

ʎ=calor latente de vaporización =947.2Btu/lb

= Viscosidad= = 0.0314Lb/ft*h

D= diámetro de la tubería de 1pulg =0.0833ft

Ts= temperatura de superficie de líquido =248°F

Tw= temperatura de agua .=59°F

h ,=0.725∗[( 0.01593∗58.872∗4166878460.0314∗0.0833

947.2(248−59 ) )]

14=235.4 Btu

ft2∗° F

❑

El coeficiente de película de los gases de combustión en el interior es:

H, ,= según el código de construcción de calderas

H, ,= =36 Btu/ft2h°F

Reemplazando los valores en la ecuación 35 se tiene:

U= 11

235.4+ 1

36

=31.22 Btuft

2

h .° F

Cálculos del área de transferencia de calor, reemplazando en la ecuación35

A= 267236.6531.22∗(248−59)

=45.3 ft2

Calculo de la potencia del caldero según el código ASTM

40

Según el diseño de las calderas del código ASTM para la construcción de las calderas debe considerar que:

1HBP= 5ft2 de calefacción.

Para los 45.3 ft2

45.3 ft2∗1 BHP5 ft2 =9.01 BHP

Considerando que la caldera trabaja con la eficiencia de 60 %.

9.0160 %

∗100 %=15 BHP

POR LO TANTO NESECITAMOS UN CALDERA DE 15 BHP.

CONCLUSIONES

En base a los objetivos, condiciones del trabajo y a los resultados obtenidos, se llega a las siguientes conclusiones:

La capacidad de producción de patatas peladas fue definida con el flujo de masa de 1200 Kg/ día de patatas (de categoría primera) como materia prima en 5 Bach.

El balance de masa se resume en el diagrama de bloques que se presenta en la página 18, donde se observa que hay un perdida de110 kg, por un lote de pro-ceso.

Los equipos diseñados, requieren las siguientes cantidades de energía por unidad de tiempo:

EQUIPOS ENERGÍA-POTENCIA

Marmita de vapor 58304.664kj/ bach

Vapor que necesita la marmita 265 kg /día

Cámara de refrigeración 541019KJ/dia

Compresor 3HP

Caldero 15 BHP

1. Las dimensiones de los equipos diseñados tienen las siguientes medidas:

MARMITA:Radio =0.3586mDiámetro =0.7172m

41

Altura =0.7172mEspesor: = 0.0016mÁrea = 2.031m2Masa =25.56kg

CÁMARA DE REFRIGERACIÓNLongitud = 8.5mAncho =3mAltura =2.5m

CALDERO.Área de transferencia de calor =45.3ft2Potencia =15BHP

BIBLIOGRAFÍA

EARLE.- ingeniería delos alimentos operaciones básicas de procesamiento delos

alimentos , editorial acribia- España 1992

GEANKOPLIS-proceso de transporte y operaciones unitarias, tercera edición,

editorial continental S.A México 2002.

JHON PERRY. Manual de ingeniero químico, editorial utema, México -1990.

Boletín RETADAR. No 39, 1988. Centro de Investigaciones en Tecnología de

Alimentos, Universidad -Costa Rica, San José. 4 p.

PAGINAS WEB. http://www.scielo.org.ve/scielo.php?

pid=S131600872001000200002&script=sci_arttext

http://es.slideshare.net/yuricomartinez/labo-1-propiedades-termofisicas-de-los-

alimentos

http://www.fao.org/fileadmin/templates/inpho/documents/EQUIPOS.pdf

http://mainfruver.blogspot.pe/2011/03/marmita.html

http://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/17271/1/refrigeracion.pdf

http://unaduni.wikispaces.com/file/view/Tema7refrigeracion.pdf

http://www.angelfire.com/pro/papalima/enlaces/papa03.htm

42

ANEXO 01

COEFICIENTE CONVECTIVO DE CALOR:

Cálculos del coeficiente convectivo del vapor y de la superficie interna de la marmi-ta para las papas.

Calculo de coeficiente del vapor (hi=hv)

Para una temperatura de 120°C.

T1= temperatura de vapor de agua =120°C

T2= temperatura de pelado químico .=90°C

Kliquido= conductividad térmica =0.683W/m°C

= Viscosidad= = 0.232*10-3Pa-s

Pr=numero de prandt =1.44

Ρ= densidad =943.4kg/m3

L=Altura de marmita =0.7172m

g = gravedad =9.8m/s2

p= presión =143.27kPa

hv =entalpia de vapor =2706kj/kg

hli= entalpiade l liquido =503.81kj/kg.

ʎ=(hv-hli) =2202kj/kg

∆T=(T1-T2) =30°C

Calculamos Hv, usando la siguiente ecuación.

43

Hv=0.94∗[( k3∗ρ2∗g❑ )∗ʎ

L∗∆ T ]0.25

……………ecuacion14

❑

Donde :

Constante =0.94

Exponente de la ecuación = 0.25

Reemplazando los valores de la ecuación 14 se tiene:

Hv=0.94∗[( 0.6833∗943.42∗9.80.232∗10−3 )∗2202

0.7172∗30 ]0.25

=989 Wm2° C

❑

DETERMINACION DE LA TEMPERATURA DE SUPERFIECIE.

La temperatura de la superficie interna, se hallara por el método de aproximaciones para ello se asumirá a una temperatura determinada (ts)

Ts = 119.8°C

To=temperatura de calentamiento =90°C

Ti=temperatura de vapor =120°C

Hi=hv= coeficiente convectivo de vapor =989w/m2°C

K= conductividad térmica del acero inoxidable =15.6w/m°C

e = espesor =0.0016m

A= área de marmita =2.031m2

Calculo del coeficiente de agua.

ho=5.56∗(ts−¿ )3……… ……… ……, …… … .. … .. ecuacion15

Reemplazando en la ecuación 15.

ho=5.56∗(119.8−90 )= . 147137.57 wm2 °C

.

Por lo cual la resistencia se tiene:

Ri= 1A∗Hi

= 12.031∗989

=0.0004978

Rs= eA∗k

= 0.00162.031∗15.6

=0.0000505

44

Ro= 1A∗ho

= 12.031∗147137.57

=0.00000334

∑ R=Ri+Rs+Ro

∑ R=0.0005164

La caída de temperatura a través dela película es :

∆ T= Ro∑ R

∗(Ti−¿ )

∆ T=0.000003340.0005164

∗(120−90 )=0.194

La temperatura de superficie interna de la marmita:

Ts=¿+∆ T

Ts=90+0.194=90.194 ° C