tratamiento termicos generales.docx
-
Upload
arroyito10 -
Category
Documents
-
view
220 -
download
0
description
Transcript of tratamiento termicos generales.docx
La transmisión o transferencia de calor es una de las operaciones más aplicadas en la industria.
La transferencia de calor puede realizarse en dos formas; la primera , única sin otras operaciones y
la segunda acompañada de transferencia de masa.
Las operaciones térmicas en las cuales no se tiene transferencia de masa , reciben el nombre de
procesos térmicos, que contemplan no solamente operaciones de elevación de temperatura sino
aquellas que involucran bajas temperaturas o frío.
La esterilización, día tras día , toma un lugar relevante en la industrialización de los alimentos y
aunque su aplicación data de siglo y medio atrás, continuamente se investiga sobre ella, dada la
incidencia , en cierto grado adversa a las características organolépticas de los productos.
Los cambios de fase, siempre asociados a transmisión de calor, tienen aplicación bien como
operación complementaria en la destilación, o como operación de conservación que involucra bajas
temperaturas; la congelación, se constituye en operación necesaria a partir desde el mismo manejo
de alimentos en el hogar, hasta proyecciones muy importantes en el manejo de alimentos listos o
precocidos. también se constituye la congelación como etapa previa a otra importante operación
especializada como es la liofilización.
Esterilización, Pasterización
La esterilización y la pasterización, son procesos físicos de amplia aplicación en la industria de
alimentos, en ellos se disminuye el contenido de bacterias o microorganismos, a tal nivel que
desaparece el riesgo de deterioro de un producto y este puede ser conservado en sus condiciones
fisicoquímicas durante mucho tiempo. Uno de los medios físicos más importantes empleados, es el
calor aplicado directa o indirectamente al producto en sí mismo o en un empaque en el que haya
sido envasado previamente.
Si bien no existe una clara diferenciación entre los procesos de esterilización , por tratamiento
térmico, se suele llamar pasterización al proceso que se lleva a cabo a temperaturas inferiores a 100
grados centígrados, en tanto que la esterilización se lleva a cabo por encima de los 100 grados
centígrados.
La esterilización llevada a cabo a bajas temperaturas está basada en los estudios que hizo el
científico francés Pasteur sobre contaminaciones bacteriales en vinos y cervezas una vez se
envasaban estos producto. En honor a él se bautizó el proceso inicial de esterilización por calor y la
llamada unidad de pasterización, que establece una relación tiempo-temperatura a la cual se ha
definido como la permanencia de un producto durante un minuto a 60OC. Cada producto para lograr
una adecuada esterilización requiere de un número de unidades de pasterización, que a la vez
depende de los microorganismos que pueden contaminar el producto.
Para la cerveza y vinos se ha establecido que 15 unidades de pasterización permiten darle
estabilidad biológica al producto. En términos prácticos se debe llevar el producto a 60OC y
mantenerlos a esta temperatura durante 15 minutos. A más altas temperaturas se requiere menos
tiempos
Existe lo que se llama pasterización instantánea o ultrapasterización en la cual se emplean
temperaturas superiores a 100OC, pero en tiempo de residencia o de contacto térmico de pocos
segundos. Igualmente se tiene esterilizaciones por ebullición, en productos que hierven por debajo
de los 100OC.
Hoy es muy usual, para grandes volúmenes la ultrapasterización de leches, en un proceso que se
lleva a cabo durante 3 segundos a 121OC
fuente:www.imai.net/imagenes/pasto1.gif
Figura 2-4Pasterizador
Ajustándonos a la clasificación mencionada, la pasterización se lleva a cabo directamente
empleando equipos de intercambio de calor como los tubulares, los de placas y recipientes con
serpentines o camisas. Los primeros se utilizan para procesos continuos, en tanto que los segundos
se emplean para pasterizaciones por cochada.
La pasterización indirecta se utiliza para los elementos envasados, en equipos que genéricamente
se denominan esterilizadores. Un equipo específico de pasterización indirecta es el pasterizador de
túnel, que permite un flujo continuo de los envasados. A medida que los recipientes avanzan en el
túnel, duchas de agua caliente o vapor elevan progresivamente la temperatura del producto, hasta
que llega a la pasterización acorde con las unidades de pasterización que requiere el producto; éste
se mantiene durante el tiempo necesario a su temperatura de pasterización, para que luego,
mediante duchas de agua fría, el producto se enfríe lentamente. Estos equipos son apropiados para
grandes volúmenes de producción, en razón de la longitud que requiere recorrer el producto para
sufrir lentamente los cambios de temperatura.
En la esterilización indirecta igualmente, se emplean recipientes abiertos y cerrados, operados estos
últimos a presiones relativamente altas para favorecer la transmisión de calor, a través de los
recipientes y lograr así la temperatura de esterilización para todo el producto.
Acorde al tipo de industria, disponibilidad del mano de obra y costos de operación se tienen
esterilizadores discontinuos o de cochada y esterilizadores continuos.
Los esterilizadores discontinuos más comunes son las marmitas o autoclaves que pueden ser
verticales u horizontales. .
En la literatura se describe ampliamente los esterilizadores tanto discontinuos como continuos.
La termización es un proceso intermedio en el cual se busca mantener muy bajos los contenidos de
bacterias y se aplican a productos de consumo prácticamente inmediato. Es un tratamiento aplicado
en flujo continuo parecido a la pasterización, pero difiere en el tiempo de aplicación que es muy
corto, del orden de 15 a 20 segundos con temperaturas de 60 a 650c.
Un aspecto muy importante de tener en cuenta es la velocidad de penetración del calor en los
envases; los productos no se calientan ni se enfrían rápidamente. La temperatura alcanzada en un
producto depende del índice de penetración calórica, que a su vez depende del estado del producto,
las condiciones del procesamiento técnico, la geometría del recipiente y aún la misma temperatura
del medio calefactor. Los líquidos se calientan más rápidamente que los sólidos debido a los
fenómenos de convección, ya que en los sólidos tiene lugar el fenómeno de conducción.
Se tiene una esterilización adecuada en los productos envasados, cuando se logra la temperatura
de esterilización y se mantiene durante el tiempo requerido en el llamado punto frío del producto.
Para liquidos en reposo y sólidos, la figura 2-6 muestra el punto frio.
Estudios microbiológicos dan las pautas para establecer los tiempos y temperaturas de
esterilización, parámetros requeridos para el cálculo de áreas de transferencia y requerimientos del
elemento calefactor.
Figura 2-6 Calentamiento del producto en el interior de una lata
Condensación
Para el cambio de fase vapor a líquido, llamado licuación o licuificación, se emplean
intercambiadores de calor llamados específicamente condensadores. El cambio de fase para fluidos
puros ocurre a una temperatura dada que es función de la presión del fluido; esta temperatura se
conoce como temperatura de saturación o de equilibrio.
Generalmente en la industria, la vaporización o condensación de un fluido ocurre a presión
constante y es un proceso isotérmico. Cuando el cambio de fase ocurre para una mezcla de fluidos
el proceso isobárico no siempre es isotérmico por la variación en las presiones de vapor,
composición molar y temperatura de equilibrio de cada uno de los compuestos de la mezcla.
Desde un punto de vista físico, el fenómeno de condensación puede ocurrir en dos formas: de gota
o de película.
La condensación en forma de gota ocurre cuando un vapor puro saturado se pone en contacto con
una superficie fría; al ceder calor a la superficie fría el vapor se condensa y puede formar gotitas en
la superficie; estas gotitas pueden desprenderse de la superficie dejando libre el área para posterior
formación de más gotitas.
En el otro mecanismo, se forma una película de líquido sobre la superficie a medida que el vapor se
va enfriando, más vapor se condensa sobre la película inicialmente formada.
Los dos mecanismos son distintos e independientes, aunque el de gota es propio del vapor de agua
y de algunos vapores cuyos líquidos no son miscibles como el caso de aceites y agua.
El mecanismo de condensación por gota permite altos coeficientes de transmisión de calor (seis a
ocho veces de los de película) pero debido a que el fenómeno es propio de muy pocos fluidos, los
estudios se concentran hacia la condensación por película, que además permite un relativo fácil
análisis matemático.
Los equipos de condensación se dividen en dos grandes grupos; los de carcaza y tubos
(intercambiadores comunes) y los de contacto.
Los condensadores de contacto implican que los fluidos vapor y líquidos refrigerante sean los
mismos, o al menos afines en ciertas propiedades. El proceso implica transferencia de masa, lo que
obliga a postergar su estudio. Una vez se conozcan los mecanismos de transferencia de masa, el
estudiante aplicará sus conocimientos de transferencia de calor para los cálculos correspondientes.
Para los cálculos de condensadores de carcaza y tubos, se emplean las consideraciones generales
en los intercambiadores del mismo tipo. Consideraciones específicas se plantean en la disposición
de los tubos que pueden ser verticales u horizontales.
En los condensadores de tubos verticales, en la parte superior de los tubos existe para la zona de
vapor, menos cantidad de líquido, su flujo es laminar y a medida que el líquido desciende se
condensa más vapor, existe más líquido y su flujo llega a ser turbulento. La velocidad másica G es
diferente en las distintas secciones del tubo.
Igual situación aunque en menor grado se presenta en los tubos horizontales, es decir la velocidad
no es constante durante el recorrido a lo largo del tubo.
Está circunstancia lleva a considerar el empleo de una velocidad másica que sea representativa del
flujo de condensado que circula por unidad de tiempo a través de todos los tubos.
Ebullición
fuente:centros3.pntic.mec.es/cp.la.canal/agua/Gota.gif
En la Industria numerosos productos líquidos o en solución son sometidos a ebullición, ya sea a alta
o baja presión, para favorecer reacciones fisicoquímicas, esterilizarlos o, aun, concentrarlos.
Una aplicación muy importante de la ebullición es la generación de vapor de agua para múltiples
propósitos. Entre ellos podemos mencionar: generación de energía eléctrica a través de
turbogeneradores, calefacción o como elemento calefactor en procesos industriales, aseos y
esterilización de equipos, obtención de agua destilada, etc.
La ebullición, como la condensación, puede ocurrir cuando la vaporización o formación de vapor se
efectúa por burbujas, directamente en la superficie de vaporización se tiene la llamada ebullición
nucleada. Cuando la ebullición ocurre a través de una película de gas de interferencia entre la
superficie y el líquido, se llama ebullición de película.
En los dos fenómenos, se generan burbujas que ascienden, a través de la masa del líquido y se
rompen en la superficie.
Cuando el vapor se acumula en la superficie del líquido y escapa a medida que más vapor se
produce, el líquido está en equilibrio con el vapor a la temperatura de ebullición y se tiene la
ebullición de líquido saturado.
En algunos casos la masa del líquido está a una temperatura inferior a la de ebullición, pero la
superficie de calefacción está a una temperatura mayor y produce una ebullición en ella, así, el
vapor formado es absorbido por el resto de líquido. Se tiene la ebullición de superficie o ebullición
subenfriada.
Tanto la ebullición de líquido saturado, como la de superficie pueden presentar ebullición nucleada a
ebullición de película.
Ebullición de liquido saturado. Para la determinación de los coeficientes de transferencia de calor se
han efectuado ensayos: en un recipiente dotado de un serpentín, por el cual circula el fluido
calefactor a temperatura variable, se tiene un líquido en ebullición, midiendo la tasa de flujo de calor
q/A y la caída de temperatura entre la superficie del tubo y la del líquido en ebullición, se tiene una
gráfica como la representada en la figura 2-7. Esta gráfica corresponde a ebullición de agua a una
atmósfera de presión y 2120F.
La curva obtenida corresponde a cuatro zonas muy definidas. Una primera, recta AB, para pequeñas
diferencias de temperatura y en la cual la relación logarítmica es constante y puede ser expresada,
por la ecuación:
Ecuación 2-17
donde K es una constante especificada para el líquido en ebullición; la segunda zona, en un tramo
casi recto BC, con pendiente 3 a 4 termina en el punto C donde se obtiene un flujo máximo de calor,
aproximadamente 4 x 105 BTU/hrft2 para un ΔT de 500F.
Figura 2-7 Fenómeno de ebullición
El valor máximo es la tasa máxima de flujo correspondiente a la llamada caída crítica de
temperatura; a partir de este punto la tasa disminuye hasta alcanzar un mínimo en el punto D,
llamado punto de LEIDENFROST ; luego se incrementa para llegar a valores muy altos en la tasa
cuando la diferencia de temperatura igualmente es muy alta.
Cada una de las zonas en la figura 2-8, corresponde a mecanismos diferentes en el fenómeno de
ebullición. Para la primera zona existe transferencia de calor por convección en el seno del líquido, y
si bien existe formación de burbujas, éstas son pocas y pequeñas y no causan distorsiones en las
corrientes de la convección, pero a partir de una caída de 80F la formación de burbujas es grande y
se afectan las corrientes de convección, favoreciendo la transferencia de calor y el coeficiente de
película crece muy rápidamente. Esta es una zona donde se tiene específicamente la ebullición
nucleada. A medida que aumenta la caída de temperatura, aumenta la capa de vapor y el
coeficiente de A medida que crece el número de burbujas, ellas tienden a unirse antes de
desprenderse de la superficie y forman una capa de vapor aislante, que se desprende con pequeñas
explosiones a medida que aumenta la caída de temperatura aumenta la capa de vapor y el
coeficiente de transferencia disminuye y, por consiguiente la tasa de transferencia de calor también
lo hace, se tiene la Ebullición de Transición.
Figura 2-8 Caída de temperatura
Una vez se estabiliza la capa de vapor, desaparecen las explosiones y, al incrementarse la caída de
temperatura, tiene lugar una formación ordenada de burbujas en la interfase entre la película de
vapor y el líquido. El flujo de calor aumenta lentamente al principio, para hacerlo más rápidamente
después, ya que ocurre transferencia de calor también por radiación. Este tipo de ebullición se
conoce con el nombre de Ebullición de Película.
Siendo el flujo de calor proporcional a los coeficientes de película: de la gráfica representada en la
figura 2-8, puede obtenerse una gráfica que relacione el coeficiente h con la caída de temperatura
(figura 2-9).
Es de esperar que el máximo coeficiente se logre para la caída crítica de temperatura, que es de 40
a 500F para el agua, de 60 a 1200F para líquidos orgánicos, aunque varia sensiblemente con la
presión.
La máxima tasa de transferencia es del orden de 115.000 a 400.000 BTU./.ft2hr para el agua,
dependiendo de su pureza, presión y superficie de calefacción. Para líquidos orgánicos el rango es
de 40.000 a 130.000 BTU/ft2hr, a presión atmosférica.
Ebullición de película. En la ebullición de película, (referida a la superficie de transferencia de calor),
se forman en la interfase vapor-líquido, ondas con una longitud característica (λo). Las cuales
crecen para formar burbujas, cuyo diámetro es aproximadamente igual a la mitad de la longitud de
onda; estas burbujas abandonan la superficie a intervalos constantes de tiempo.
Ebullición de superficie o subenfriada. Generalmente se logra cuando un líquido fluye en un espacio
anular vertical, en el cual el tubo interior es el elemento calefactor. Cuando el líquido asciende y la
temperatura del elemento calefactor aumenta, se forman burbujas en la superficie del elemento para
condensarse en el resto del líquido. Relacionando el flujo de calor con la diferencia de temperatura
se obtiene una gráfica como la representada en la figura 2-6 correspondiente a ensayos con agua
destilada y desgasificada a una velocidad de 4 ft/seg y 60 psi en un ánulo de De = 0.77 pulgadas y
Dc = 0.55 pulgadas. (Mc Adams and Day).
La gráfica consta de dos secciones ambas rectas, una primera para caída de temperatura inferior a
800F, con pendiente de 1.0, en la cual el coeficiente es independiente de la caída de temperatura , y
los valores del coeficiente obtenido por la gráfica coinciden con los valores que se obtienen por
ecuaciones específicas para flujo turbulento.
Figura 2-9 Flujo de Calor en ebullición de superficie
Cuando la caída sobrepasa los 800F, cambia su pendiente y se tiene la verdadera ebullición de
superficie. El flujo de calor se incrementa notablemente con pequeños crecimientos en las caídas de
temperatura, lográndose una altísima eficiencia en la transferencia de calor del orden de 5 a 106
BTU/h.ft2.
La ebullición de superficie se emplea en condiciones muy especiales, dadas las características del
equipo empleado.
Enfriamiento y refrigeración
Se emplea el enfriamiento de productos para obtener temperaturas adecuadas de almacenamiento.
Algunas sustancias provienen de un proceso que ha implicado altas temperaturas para favorecer
reacciones físico-químicas y se requiere llevar la temperatura a un nivel adecuado, para un fácil
manejo y almacenamiento, otras sustancias en especial alimentos requieren de temperaturas bajas
para su conser-vación y almacenaje y algunos procesos requieren de temperaturas bajas para su
desarrollo.
Cuando se tiene una disminución de temperaturas sin que ocurra un cambio de fase, tiene lugar el
enfriamiento, que puede llevarse a cabo para sustancias en cualquier estado. Cuando se requiere
mantener durante un lapso amplio de tiempo bajas temperaturas (por debajo de la temperatura
ambiente), se tiene la llamada refrigeración.
Los mecanismos de transferencia de calor en las dos operaciones son muy diferentes y aunque se
ha generalizado la aplicación del término refrigeración al enfriamiento de sólidos o de espacios
amplios es importante tener presente que los fines son muy diversos.
El enfriamiento de gases y líquidos se lleva a cabo adecuadamente en los inter-cambiadores de
calor ya estudiados, empleando como medio de enfriamiento líquidos o gases a muy bajas
temperaturas.
Estos fluidos tienen propiedades termodinámicas especiales, como bajos puntos de congelación y
de evaporación e igualmente de volúmenes específicos y altos valores latentes. De los líquidos o
fluidos enfriadores, también llamados refrigerantes, el que mejor propiedades presenta es el
amoniaco, NH3, con un inconveniente serio como es su alta toxicidad, esto conlleva aun cuidadoso
manejo y el empleo de equipo con sellos o cierres herméticos. El freón 12 (dicloro difluormetano)
presenta como inconveniente un calor latente de evaporación de 38 kcal kg, lo que lleva a emplear
volúmenes relativamente altos y limita su uso para grandes instalaciones.
La obtención de los refrigerantes fríos para su empleo en enfriamiento, se efectúa en ciclos
termodinámicos que prácticamente son los inversos del ciclo de Rankine.
Los sistemas termodinámicos más empleados son:
Figura 2-10 Refrigeración por compresión de vapor
El fluido refrigerante (gas) es comprimido a altas presiones, en este proceso el fluido se calienta y es
necesario extraerle calor que se logra en intercambiadores empleando agua fría, o en radiadores
utilizando aire frío; acorde con las características del refrigerante en esta etapa puede licuarse y ser
almacenado. Para el enfriamiento, el fluido se hace pasar a través de una válvula de expansión que
permite bajar la presión del fluido disminuyendo considerablemente su temperatura, si el fluido está
líquido, en esta etapa se gasifica o vaporiza. A continuación o se almacena el gas o es succionado
por el compresor para iniciar de nuevo el ciclo.
Refrigeración de vacío
Se emplea como fluido refrigerante agua líquida, lo que limita la temperatura baja a valores siempre
por encima de los 00C. En un recipiente que contenga agua, se hace vacío empleando generalmente
un eyector de vapor. Al bajar la presión en el recipiente parte del agua se evapora rápidamente,
causando enfriamiento de la masa de líquido hasta una temperatura cercana a su punto de
congelación. Este es un ejemplo clásico del enfriamiento evaporativo o por evaporación. El agua a
baja presión y baja temperatura, puede emplearse como líquido refrigerante en los equipos
convencionales. Acorde a la temperatura de salida del agua en el proceso de enfriamiento, ella
puede recircularse para completar el ciclo, representado en la figura 2-10.
En algunos sistemas la expansión del gas comprimido tiene lugar directamente en el equipo de
transferencia de calor. la figura 2-10 nos representa un ciclo de este tipo.
Refrigeración por absorción
Este ciclo emplea dos fluidos: uno principal, el de trabajo y otro el auxiliar, de absorción. El requisito
para seleccionar los fluidos generalmente líquidos es que la entalpía de su solución sea inferior a la
de cada uno de los líquidos. Uno de los sistemas más empleados es el de amoniaco y agua. El
amoniaco se absorbe en agita (disolución de gas en líquido) a baja presión, dado que la entalpía de
la solución es menor que la del agua y que la del amoniaco, se debe extraer calor para efectuar la
absorción. La solución es bombeada a un generador de amoniaco, en esta etapa se eleva la presión
y se calienta la solución lo que causa la separación del amoniaco, quedando listo como fluido
refrigerante.
Ejemplo 2-7
Determinar las toneladas de frío que produce un sistema de compresión de freón que requiere de 52
BTU/lb en el evaporador (o intercambiador de calor), cede 65 BTU/lb en el enfriador y tiene un flujo
de 1920 lb/hr. Igualmente determine el trabajo efectuado por el compresor en BTU/hr, si el sistema
tiene un coeficiente de operación de 4.
Solución: El freón al evaporarse requiere o absorbe 52 BTU/Ib, esto significa que extrae en un
proceso de enfriamiento 52 BTU/lb de freón. Para una hora el calor extraído es:
Q = 1920 x 52 = 99.840 BTU/h
Recordando que una tonelada de frío es la cantidad de calor que se requiere extraer a una tonelada
de agua para convertirla en hielo, en un lapso de 24 horas, se tiene:
1 ton de frío ⇒ 12.000 BTU/h
Luego
El coeficiente de operación se define como la relación entre el calor extraído y la diferencia entre
calor requerido y extraído, llamando W la diferencia que debe ser igual al trabajo efectuado, por el
compresor:
β = QE / W W = QE / β = 52 /4 = 13 BTU / lb
Obsérvese que el trabajo es igual a la diferencia de los calores
W = Qc - QE = 65 -52 = 13 BTU/lb
La potencia por hora será:
W = 13 x 1.920 = 24.960 BTU/hr equivalente a
W = 9.8 H.P.
Para facilitar cálculos en procesos de refrigeración se han introducido las llamadas unidades de
Refrigeración. La más usual es la tonelada de frío, equivalente a la cantidad de calor extraída a
2.000 libras de agua a 320F para solidificarla, en un lapso de 24 horas. Teniendo calor latente de
fusión de 144 BTU/Ib.
1 Ton de frío = 2.000 Ib x 144 BTU/lb/24horas = 288.000 BTU/día
1 Ton de frío = 12.000 BTU/hr
Otra unidad es la Unidad Británica de Refrigeración, basada en la tasa de enfriamiento de una
kilocaloría por segundo, equivalente a 237,6 BTU/min.
EJEMPLO. 2-8
Para determinar el proceso de fermentación en la obtención de la cerveza, la temperatura del liquido
debe bajarse de 120 0C a 400C en un lapso de 36 horas. Para el efecto se empleará agua a 10C que
circula por un serpentín de cobre de 2 1/2” de diámetro.
Determinar las toneladas de frío requeridas para lograr el enfriamiento de un tanque que contiene
200 hls ( 20.000 kilos) de cerveza.
Solución : De las tablas el calor específico de la cerveza es de 0.95 cal /gr”C. El calor extraído en
una hora será:
Q = m Cp ΔT / 36
La densidad de la cerveza puede considerarse igual a la unidad, luego:
Q = 20.000 x 1.0 x (12 - 4)/36 = 4444.4 kcal / hr
Q = 17.636 BTU/hr
Ton. de frío = 17.636/12.000 = 1.47Ton ⇒ 1.5 Ton
Para la refrigeración de espacios cerrados, es decir mantener temperaturas bajas en ellos y aun
enfriar y conservar productos almacenados allí, se emplean los difusores de frío, constituidos por
serpentines o bancos de tubos en los cuales circula el fluido refrigerante.
Normalmente los serpentines se emplean en espacios relativamente pequeños, los cuales van
sujetos a los muros y la transferencia de calor se efectúa básicamente, por convección. Figura 1-39.
fuente:eltamiz.com/images/2007/August/refrigeracion.png
Figura 2-11 Serpentín para refrigeración
Los bancos de tubos se emplean en espacios grandes, y el frío se transmite haciendo circular aire a
través de los tubos, lográndose transferencia por conducción.
El banco de tubos se coloca dentro de una caja que hace parte del ducto por el cual circula el aire.
El ducto normalmente es de una longitud similar al costado más largo del cuarto, para favorecer una
circulación completa de todo el aire del recinto.
Para los cálculos de los serpentines o bancos de tubos en los recintos de refrigeración, llamados
también frigoríficos, debe tenerse en cuenta que la cantidad total de calor es el resultado de la suma
de:
Qp = Calor cedido por el producto almacenado.
Qa = Calor cedido por la masa de aire y condensación de humedad.
Q1 = Calor irradiado a través de las paredes, pisos, cañerías, etc.
Qc = Calor cedido por los aparatos eléctricos que se encuentran en el recinto.
Qe = Calor perdido por apertura de puertas, deficiencia en cierres, etc.
Ecuación 2-18
QT = Qp +Qa +Q1 +Qc+Qe
El calor cedido por el producto será:
Ecuación 2-19
Qp= mCp ΔT = m Cp (Te - Ta)
Donde:
Te es la temperatura inicial del producto
Ta es la temperatura de almacenamiento
El calor cedido por la masa de aire corresponde al calor retirado para enfriar la masa contenida en el
recinto, igualmente calor retirado al condensar y, en ocasiones, congelar parte de la humedad
contenida en el aire.
La condensación ocurre generalmente sobre las paredes, piso y techo del recinto, en tanto que la
congelación ocurre directamente en los serpentines o bancos de tubos.
Las características del producto que se va a almacenar establecen las condiciones de la
refrigeración, en ocasiones se requiere de atmósferas secas o atmósferas húmedas; lo que implica
tener deshumidificadores para retirar la humedad o duchas o riegos para mantenerla y compensar el
agua congelada. Los cálculos de calor, que son específicos a la masa de aire, requieren cálculos de
transferencia de masa, razón por la cual, por ahora se asume que este calor es un porcentaje (entre
el 10 y el 20%) del calor total requerido.
Las pérdidas o calor de irradiación se calculan acorde con las áreas de cada superficie (pisos,
paredes, techos), a sus conductividades térmicas y de película.
Para efectos prácticos, las necesidades de frío para retirar el calor producido por los aparatos
eléctricos se calcula por la fórmula:
Ecuación 2-19
Qc=860 Pt Kcal
Siendo P la potencia de los aparatos eléctricos (incluyendo bombillos) en Kw y t el tiempo de
servicio de funcionamiento de cada aparato; el calor total de los aparatos será:
Ecuación 2-20
Qc = Σ Qci
Dada la dificultad de calcular o medir las pérdidas de calor por apertura de puertas, entrada de aire
exterior o de personas, etc., ellas se asumen igualmente de un 10 al 20% de las necesidades totales
de frío.
La ecuación 2-19 se convierte en:
0.6 Q = Qp + Qi + Qc
Congelación
fuente:www.elpais.com/recorte/20071226elpepisoc_2/LC...
Numerosos estudios se han realizado acerca de los mecanismos y fenómenos que tienen lugar en la
congelación, principalmente para alimentos, que es en esta área donde más se aplica esta
operación.
En épocas tempranas los alimentos se congelaban colocándolos en área frías con circulación
natural de aire. Hacia 1930 Clarence Birdseye y otros investigadores iniciaron estudios de
congelación en hortalizas y establecieron cómo la velocidad de congelación incidía en la calidad de
los alimentos, realizando trabajos importantes en la llamada congelación rápida.
Es la velocidad de congelación la que determina básicamente la capacidad y clase de equipo
requerido.
Los estudios del mecanismo de congelación fijan el tiempo adecuado de conge-lación. No siempre
una congelación rápida presenta los mejores resultados, máxime que el proceso se puede producir
a distintas velocidades en las diferentes partes de una pieza de alimento.
El hecho de tenerse diferentes velocidades de congelación lleva a una imprecisión sobre el tiempo
de congelación. Existe un tiempo que define el momento en que se inicia la congelación y otro en
que se da por terminada. Generalmente en un cuerpo existe un punto que se enfría más lentamente
que se conoce como centro térmico y sirve de punto de referencia para los estudios pertinentes.
La figura 2-12, nos representa la variación en la formación de hielo (como porcentaje del agua
contenida) y la temperatura superficial de carne vacuna. Puede apreciarse que el proceso de
congelación se inicia a una temperatura inferior a 20C, con una velocidad muy alta hasta los -100C y
luego se va estabilizando la congelación.
La mayor congelación ocurre hasta los -100 C y basados en esto, se define como tiempo de
congelación nominal, al tiempo que transcurre entre el momento en que la superficie alcanza la
temperatura de 0O C y el instante en que el centro térmico llega a una temperatura de -10O C.
Cuando el centro térmico llega a esta temperatura se considera para efectos prácticos que el
producto está completamente congelado. El tiempo efectivo de congelación se define como el
tiempo que tiene que permanecer un producto en un congelador para lograr la temperatura indicada
de -10OC en el centro térmico. Este tiempo incluye aquel que se emplea en llevar la temperatura
inicial del producto a 0OC .
Figura 2-12 Congelación de carne
Para calcular el calor a retirar en la congelación del producto debe tenerse en cuenta que este es
función del contenido de agua. Generalmente los alimentos que se van a conservar contienen un 80
-90% de agua, luego, para efectos prácticos, puede asumirse una congelación total del alimento, en
estas condiciones.
Ecuación 2-20
Qp =m [Cp1 (T1 -To)+ γ +Cp2 (To-Ta)]
Siendo:
Cp1 = Calor específico del alimento tal cual
Cp2= Calor específico del alimento congelado
T1 = Temperatura inicial del alimento
To = Temperatura de congelación
Ta = Temperatura final o de almacenamiento
γ = Calor latente de congelación
En tablas se encuentran los calores específicos de alimentos, tal cual y congelados, e igualmente
temperaturas de congelación.
Teóricamente pueden calcularse los calores específicos de alimentos, conocida su tasa de agua o
contenido de agua Ma, en kilogramos de agua por kilogramo de producto.
Cp1 = Cpa Ma + Cp(1 - Ma)
donde:
Cp1 = Es el calor específico del producto tal cual
Cpa = Calor específico del agua
Ma = Contenido de agua
Cp = Calor específico del producto seco
Con valor de 1 para el calor específico del agua y de 0.2 para las sustancias secas (valor promedio
de muchos alimentos):
Ecuación 2-21
Cp1 = Ma + 0.2 (1 - Ma)
Para alimentos congelados, con un contenido de agua congelada del 90% del total del agua:
Ecuación 2-22
Cp2 = 0.35 Ma + 0.2
Ejemplo 2-9
Determinar la cantidad de calor necesario de retirar para congelar y enfriar 4 toneladas de carne
magra de res, de 300C a temperatura de almacenamiento para largo tiempo. El contenido de agua
es del 75%.
Solución:
La temperatura de congelación de la carne es de -2.00C, y calor de congelación de 60 kcal/kg. La
temperatura de almacenamiento debe ser de -180C.
El calor especifico de la carne tal cual es:
Cp1 = 0.75 + 0.2 (1 - 0.75) = 0.8 kcal/kg0C
Cp2 =0.35 x 0.75 + 0.2 = 0.46 kcal/kg0C
La cantidad de calor será:
Q = 4.000 x{ 0.8 [(30 - (-2)] + 60 + 0.46 [-2 - (-18)]}
Q = 371.840 kcal
Para productos empacados h depende del material de empaque; experimentalmente se han
obtenido valores.
Empaque h (W/m20C)
Caja de cartón 50- 60
Papel encerado 120- 300
Aluminio (hoja) 300 - 600
Celulosa 300 - 600
Para algunos productos empleados en lecho fluidizado, el coeficiente varía entre 100 y 180 W/m20 C.
Los equipos para congelación requieren de un refrigerante que absorba calor por conducción y
convección, generalmente convección en el proceso de enfriamiento y conducción en la congelación
propiamente dicha.
Los congeladores se clasifican por el medio empleado en la transferencia de calor. Existen los
congeladores por contacto con un sólido frío, los que emplean líquidos fríos y los de gases fríos.
Los congeladores por contacto de sólido emplean placas metálicas; planas, huecas por las cuales
circula el refrigerante. Las placas se montan en paralelo ya sea en sentido vertical o en sentido
horizontal y con espacios variables para permitir ajuste de ellas al producto que se va a congelar.
Las placas verticales son ampliamente empleadas para productos empacados en cajas y para
helados; los de placas horizontales son usados en la congelación de productos empacados en
envases deformables como pescados, carnes, etc.
Una vez se ha logrado la congelación, se hace circular un fluido caliente por las placas para soltar
los bloques congelados y descarchar las superficies.
Los congeladores que emplean líquidos fríos son recipientes tipo alberca en donde se introducen los
productos ya empacados; el líquido refrigerante debe ser inocuo para evitar contaminaciones. Las
ventajas sobre el sistema de placas, son el de poseer altos coeficientes de transferencia de calor,
así se congelan fácilmente productos de formas irregulares y puede hacerse congelación individual
del producto. Una desventaja es el consumo del líquido refrigerante en las operaciones de carga y
descarga.
La versatilidad en el empleo de gases fríos, hace que este sistema sea el más utilizado y el más
empleado de los gases es el aire frío. Aunque los coeficientes de transferencia son menores que en
los líquidos, los costos de congelación son menores para grandes volúmenes de producto.
Los congeladores de aire son túneles por los cuales circula aire a temperaturas entre -20 a -40OC y
con velocidades de 0.5 a 18 m/seg. Para impulsar el aíre se emplean ventiladores que producen el
llamado Tiro Forzado.
Tanto la congelación por líquido como por gas permiten procesos continuos, mientras que la de
contacto con sólidos es propia de procesos de cochada.
Procesos desarrollados últimamente han permitido el uso de fluidos que absorben calor en un
cambio de fase; tal es el caso del anhídrido carbónico líquido a alta presión, al pulverizarse se forma
una mezcla de gas y sólido conocida como nieve carbónica, que puede ponerse en contacto con el
producto que se va a congelar. El nitrógeno líquido (-1960C a presión atmosférica), se emplea para
congelación a velocidades altas y empleando aspersión del líquido sobre el producto. El alto costo
de obtención del nitrógeno líquido ha limitado su uso.
Escaldado
fuente:patentados.com/img/2005/cafetera-expres.png
figura 2-13 Escaldado
Es una operación térmica intermedia utilizada en la industria de alimentos principalmente en frutas y
vegetales con la finalidad principal de inactivar enzimas termolábiles, aunque también presenta otros
efectos favorables como la eliminación de gases internos de la estructura celular lo que reduce
reacciones de oxidación y facilita empaque al vacío, disminución de recuento de microorganismos:
ablandamiento del tejido, lo que favorece operaciones de llenado. Esta es una operación previa
comúnmente aplicada antes de varios procesos, entre ellos el de osmosis y en este caso debido a
que la desnaturalización de proteínas logra, en general un mayor grado de deshidratación e
impregnación.
El escaldado es una operación utilizada en la mayoría de procesos en los cuales la materia prima es
la fruta, o vegetales aunque no es aplicada a todas las frutas.
En el escaldado tradicional se pretende que únicamente la cáscara de la fruta llegue a la
temperatura adecuada para la inactivación de las enzimas, temperatura que en la mayoría de las
ocasiones es del orden de los 75 ºC., el interior de la fruta no se calienta sensiblemente, razón por la
cual se conservan prácticamente intactas sus propiedades organolépticas y fisicoquímicas.
Para el proceso de escaldado los productos, en cochada o por lotes, se introducen en un fluido,
generalmente agua caliente o hirviendo ; en procesos continuos son sometidas a aspersión de agua
hirviendo o vapor a baja presión
No obstante todo tratamiento térmico altera en mayor o menor grado la textura de los productos por
los cambios que ocurren en las células exteriores.
Para disminuir los cambios que se producen en el escaldado tradicional, se han desarrollado otros
métodos. Entre ellos el uso de microondas , aplicación de microondas en presencia de vapor de
agua, radiaciones infrarrojas, vapor húmedo y ondas de radiofrecuencia y últimamente el escaldado
a baja temperatura y por largo tiempo (TB - TL).
Varios investigadores han comparado estos métodos y han encontrado que el uso de microondas en
presencia de vapor es el que arroja los mejores resultados con obtención de vegetales más firmes y
con mejores características organolépticas, igualmente se encuentra que existen menores pérdidas
de las vitaminas hidrosolubles, resaltándose la conservación de la vitamina C.
El escaldado a bajas temperaturas ha traído los beneficios de mantener la textura y para algunos
productos mayor firmeza que los procesados a altas temperaturas. Se establece que la
conservación de la firmeza obedece a que la enzima pectinesterasa, se activa por encima de los 50
oC y se inactiva hacía los 70 oC. esta enzima actúa sobre las pectinas de la pared celular,
propiciando la formación de estructuras intermoleculares entre las propias pectinas y otros polímeros
que se encuentran en la pared. Las estructuras intermoleculares incrementan la firmeza del
producto.
Existen otros factores que afectan la firmeza como las presencia de sales de calcio o magnesio
( dureza) , ya que forman pectatos favorecidos a pH altos
Desde el punto de vista térmico el escaldado es un tratamiento en el cual se tiene un flujo de calor
en estado inestable o no estacionario. la mayoría de los problemas que se presentan en la industria
es el de establecer los tiempos óptimos de escaldado cuando se desea tener una temperatura
predeterminada a nivel de las cáscaras o piel de las productos para tener los mejores resultados.
Dado el tamaño de los productos a escaldar, frutas y vegetales y de acuerdo a sus propiedades
térmicas, la mayoría de ellos presenta resistencias térmicas altas, aún con productos de alto
contenido de humedad.
En la determinación del tiempo de escaldado, dada la temperatura constante del fluido de proceso
se acude a las gráficas que correlacionan las relación adimensional de temperaturas con los
números de Biot y Fourier, recordando que siendo los productos alimenticios de alta resistencia
térmica ( Número de Biot > 0,1) se deben emplear los números modificados. Igualmente tener
presente el empleo de las gráficas adecuadas para la superficie del cuerpo geométrico que más se
asimile al producto, ya que la mayoría de las gráficas se presentan para la relación adimensional en
el centro de la figura geométrica, con curvas de corrección para diferentes puntos geométricos del
producto.
Al trabajar los parámetros de el estado inestable, el tiempo calculado es aquel al cual se obtiene la
temperatura de proceso; como en el escaldado se efectúa una reacción propiamente bioquímica,
debe tenerse presente que se requiere de un tiempo adicional para que se realice dicha reacción.
este tiempo adicional depende del producto en sí y como valor promedio puede tomarse entre un 20
y un 50% del tiempo inicialmente calculado.
Crioconcentración
Las soluciones acuosas sometidas a un proceso de congelación forman inicialmente dos fases, una
sólida compuesta por cristales de hielo puro y cristales de soluto y solución concentrada debido a la
separación de una parte de agua en forma de hielo.
Para productos con altos contenidos de humedad, cuando ellos se llevan a temperaturas por debajo
de su punto de congelación los cristales formados están libres de inclusiones tales como sales,
ácidos, sustancias aromáticas, azúcares, proteínas y grasas. Separando los cristales de hielo por
cualquier medio mecánico apropiado, se obtiene una solución concentrada o con un alto contenido
de sólidos.
Particular aplicación tiene la crioconcentración en la obtención de jugos concentrados, esencias y
extractos de flores y hierbas para obtención de aromas, ya que se conservan prácticamente
inalterables las propiedades sensoriales, sin embargo un efecto , que en ciertas circunstancias
puede ser beneficioso es la degradación de proteínas por efecto de las bajas temperaturas en lo que
se denomina rompimiento en frío.
La temperatura de congelación de un producto es aquella a la cual se comienzan a formar los
cristales de hielo, sin embargo dependiendo del tamaño de las partículas o tamaño del producto, la
temperatura es homogénea. Generalmente la superficie se enfría por debajo de la temperatura de
congelación cuando el punto frío ha alcanzado dicha temperatura.