Aplicaciones de transferencia de calor

Aplicaciones
de
transferencia
de calor
Los principios de la transferencia de calor son ampliamente utilizados
en la elaboración de alimentos en muchos de los equipos que se
utilizan.
INTERCAMBIADORES DE CALOR
En un intercambiador de calor, energía térmica se transfiere de un
cuerpo o corriente de fluido a otro. En el diseño de equipos de
intercambio de calor, transferencia de calor se aplican para el cálculo
de esta transferencia de energía a fin de llevarlo a cabo de manera
eficiente y en condiciones controladas. El equipo pasa por debajo de
muchos nombres, tales como calderas, pasteurizadoras, sartenes con
camisa, congeladores, calentadores de aire, cocinas, hornos, etc.
La aplicación de la general de transferencia de calor ecuación
básica para el de la transferencia de calor Intercambiador de
calor :
q = UA
DT
Intercambiadores de Calor De flujo continuo
Estos intercambiadores de calor se utilizan cuando uno o ambos de los
materiales que son de intercambio de calor son fluidos, que fluye
continuamente a través de los equipos y la adquisición o abandono
de calor de paso.
Jacketed Pans
El líquido a calentar está contenido en un recipiente, que
también puede estar equipado con un agitador para mantener
el líquido en movimiento a través de la transferencia de calor
de superficie, como se muestra:
Serpentines de calentamiento sumergidos en líquidos
En algunos procesos de alimentos, calentamiento rápido se
requiere en la sartén, por ejemplo, en la cocción de la
confitura. En este caso, una bobina helicoidal puede ser
instalado dentro de la olla y el vapor admitido a la
bobina.
Esto puede dar una mayor velocidad de
transferencia de calor que las cacerolas con camisa, porque
no puede haber una mayor transferencia de calor de
superficie.
Intercambiadores de calor de superficie raspada
Un tipo de intercambiador de calor, que se encuentra con mucha
utilidad en la industria de transformación alimentaria, en particular
para los productos de mayor viscosidad, consiste en un cilindro con
camisa con un cilindro interno concéntrico y equipados con cuchillas
rascador.
Los coeficientes de transferencia de calor varían con velocidades de
rotación, que son del orden de 900-4000 J m -2 s -1 ° C -1 . Estas
máquinas se utilizan en la congelación de los helados y en el
enfriamiento de las grasas durante la fabricación de margarina.
Placa de Intercambiadores de Calor
Un intercambiador de calor popular para fluidos de baja
viscosidad, como la leche, es el intercambiador de calor de
placas, donde la calefacción y la refrigeración de líquidos a través
de tortuosos pasajes alternos entre las placas verticales.
En general los coeficientes de transferencia de calor son del orden
de 2400-6000 J m -2 s -1 ° C -1 .
PROCESAMIENTO TÉRMICO
El tratamiento térmico implica el uso controlado de calor para
aumentar o reducir en función de las circunstancias, los tipos de
reacciones en los alimentos.
El objeto de la esterilización es destruir todos los microorganismos, es
decir, bacterias, levaduras y mohos, en el material del alimento para
evitar la descomposición de los alimentos, lo cual lo hace poco
atractivo o no comestibles.
Los microorganismos se destruyen por el calor, pero la cantidad de
calor necesaria para la muerte de diferentes organismos
varía. Además, muchas bacterias pueden existir en dos formas, la
forma vegetativa o de crecimiento y de esporas o la forma latente.
Tiempo de destrucción térmica
Las tasas de destrucción puede estar relacionado con:
(1) El número de organismos viables en el primer envase o lote de
envases.
(2) El número de microorganismos viables que con seguridad se puede
permitir que sobrevivir.
Los resultados de experimentos
para
determinar
los
tiempos
necesarios para reducir los conteos
reales de esporas a partir de 10 12 a
1 (la más baja, círculos abiertos) o 0
(la parte superior, cerrada, círculos)
se muestran
Equivalent Killing Power at Other Temperature
Registro T - log F = m (121 - T ) = log T / F
donde T es el tiempo de muerte térmica a
temperatura T, F es el momento de la
muerte térmica a temperatura de 121 ° C
y m es la pendiente de la gráfica.
Además, si se define el z valor como el
número de grados por debajo de 121 ° C
en la que t se incrementa en un factor de
10, que es un ciclo en un gráfico
logarítmico,
t = 10 F cuando T = (121 - z )
de modo que,
log 10 F - log F = log (10 F / F ) = 1 = m [121 (121 - z )]
por lo que
z=1/m
Por lo tanto log ( T / F ) = (121 - T ) / z
o T = F x 10 ( 121 -T) / z
Pasteurización
La pasteurización es un tratamiento térmico aplicado a los alimentos,
que es menos drástico que la esterilización, pero que es suficiente para
inactivar los organismos productores-en particular las enfermedades
de importancia en un alimento específico.
El número de microorganismos viables se reducen en proporciones del
orden de
10 15 : 1.
El organismo patógeno que es de importancia clásica
es Mycobacterium tuberculosis , y el tiempo / temperatura para la
inactivación de este bacilo se muestra en la figura.
 Por ejemplo, 30 minutos a 62,8 ° C y 15 segundos a 71,7 ° C en los
llamados de alta temperatura / tiempo (HTST) de proceso son
suficientes. Un proceso más rápido, incluso con una temperatura de
126,7 ° C durante 4 segundos se afirma que es suficiente.
Generalmente la mayoría de equipos que se utiliza es el
intercambiador de calor de placas y las tasas de transferencia de
calor para lograr la pasteurización.
Una enzima presente en la leche, la fosfatasa, se destruye en poco
tiempo las condiciones de temperatura-igual que el M. la
tuberculosis y, ya que las pruebas químicas de la enzima se puede
realizar simplemente, su presencia se utiliza como un indicador de
tratamiento térmico insuficiente.
En este caso, la presencia o ausencia de la fosfatasa no es
significativa la medida en que las propiedades de almacenamiento
o de idoneidad para el consumo humano se refiere.
Los procesos de esterilización y pasteurización ilustran muy bien
la transferencia de calor como una operación de la unidad de
procesamiento de alimentos.
Las temperaturas y tiempos requeridos que se determinan para
cada proceso van en conjunto con los equipos de transferencia
de calor que se han diseñado utilizando las ecuaciones
desarrolladas para las operaciones de transferencia de calor.
Refrigeración,
enfriamiento y
congelamiento
Enfriamiento
 El
ritmo de decaimiento de los alimentos
depende de la temperatura.
 A bajas temperaturas:



Disminuye crecimiento microbiano.
Disminuye actividad enzimática.
Disminuye la velocidad de las reacciones
químicas.
Enfriamiento
 Para
que el deterioro cese virtualmente
cese se requiere congelar.
 Enfriar solamente disminuye la velocidad.
Ciclo de refrigeración
 Se
basa en que a diferentes presiones la
condensación y saturación de los gases
es diferente.
 Si la presión aumenta, aumenta también
la temperatura de condensación.
 Existen diferentes gases refrigerantes.
Ciclo de refrigeración
Se bombea por un compresor que aumenta su presión al mandarlo al
Para
completar el ciclo
se condensabaja
el gas
alebulla
distribuir
su calor de
La
presión sobre el refrigerante
lo suficientemente
que
a baja temperatura.
condensador.
El trabajoesrequerido
equivale para
a (H
c-Hb)kJ/kg. Depende de la
vaporización
a unlatente
medio
Pasa
al evaporador
por
una válvula
cae a
un (H
contenedor
y se repite el
Extrae
entonces
calor
de enfriador.
vaporización
del o
entorno.
Extrae
b-Ha) kJ.
temperatura
del refrigerante
de los condensadores.
(Hc-HeNo
)=(Hhay
)kJ/kg de entalpía.
ciclo.
c-Hacambio
Ciclo de refrigeración
 La
presión alta se determina en base al
refrigerante del condensador y su costo.
 La presión de evaporación se determina
por la temperatura baja que se busca.
 A temperaturas más bajas se aumenta el
costo de compresión.
Eficiencia
 El
coeficiente de
desempeño es la
relación entre:


Calor tomado en
el evaporador
(refrigeración útil)
V.S.
Energía aplicada
en el compresor.
Eficiencia
 La
unidad de medición del efecto de la
refrigeración
es
la
tonelada
de
refrigeración.
 Ton = 3.52 kW.
 Es la cantidad de energía que se requiere
para congelar 2,000 lb de agua en un
día. (1 Ton corta).
Fórmulas
Teoría v.s. realidad
 El
ciclo anteriormente descrito es ideal.
 Pérdida por caída de presión en tuberías,
compresión no adiabática, etc.
 Los cálculos son muy aproximados.
 Se pueden ignorar las pérdidas.
Eficiencia volumétrica
 El
pistón del compresor no comprime por
completo el gas.
 La relación de volumen de gas que entra
al condensador respecto a la teórica es
la eficiencia volumétrica del compresor.
 Pérdida por válvulas, etc.
Refrigerantes
 Teóricamente
cualquier fluido sirve.
 Se han usado desde aire hasta CO2.
 Actualmente se usan unos pocos, casi
siempre
amonio
e
hidrocarburos
halogenados.
 El amonio es el mejor respecto a su
efecto refrigerante.
 Alta toxicidad, por lo que se usan
hidrocarburos halogenados (Freones)
Refrigerantes
 El
uso de hidrocarburos clorados se
prohibió por su daño ecológico.
 Pocos aún son permitidos.
Compresores
 Prácticamente
son bombas de vapores.
 Diseño especializado por la baja
densidad y viscosidad de los vapores.
 Se busca un buen radio de compresión.
 Se ponen en serie para mejorar.
 Son herméticos para evitar fugas de
vapores.
Evaporador
 El
único que entra en contacto con
procesos de alimentos.
 Calor:
 Alimento>Medio de
transf.>Evaporador>Refrigerante.
 Medio de transferencia usualmente aire,
pero puede ser propilen glicol o mezclas
de agua-alcohol.
Evaporador
A
veces hay otro intermediario de
transferencia de calor.
 Como en enfriadores de leche:

Amonio>Evaporador>Propilenglicol>Leche
Enfriamiento
 Bajar
la temperatura para disminuir
deterioros.
 Usualmente usan aire de medio de
intercambio de calor.
 Aumenta su eficiencia si el aire está en
movimiento.
Congelamiento
 El
congelamiento tiene un efecto físico en
el alimento.
 Los alimentos no se congelan a una
temperatura por la complejidad de las
matrices.
 Cristales de agua por debajo del punto
de congelación.
Congelamiento
 Es
la remoción del calor de
congelamiento.
 Principalmente del agua.
 Se asume que el congelamiento:


Comienza en todo el alimento a la
temperatura de congelamiento.
Ocurre lo suficientemente lento para que
se de la transferencia de calor de manera
estable.
Almacenamiento en frío
 Se



requiere remover el calor de:
Los alrededores por medio de aislamiento.
Fuentes dentro de las instalaciones como
motores, focos y empleados (0.5 kW c/u).
De los alimentos.