determinación del coeficiente superficial de transmisión de calor en

II Congreso Iberoamericano sobre Seguridad Alimentaria
V Congreso Español de Ingeniería de Alimentos
Barcelona, 5 a 7 de Noviembre de 2008
© CIMNE, España 2008
DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE SUPERFICIAL DE
TRANSMISIÓN DE CALOR EN LOS PROCESOS QUE UTILIZAN
PULVERIZACIÓN DE AGUA
José Abril, Juan José Gómez y Ana Casp
Departamento de Tecnología de Alimentos
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos
Universidad Pública de Navarra
Campus Arrosadía. 31006 Pamplona
Tf. 948169138. Fax 948169893
e-mail: [email protected] web: http://www.acyja.com/
Palabras clave: tratamientos térmicos, coeficiente superficial de transmisión de calor.
Resumen: En el presente trabajo se ha desarrollado un sistema de distribución del agua
sobre los envases que asegura su llegada sin presión, evitando las salpicaduras y
consiguiendo un flujo laminar que discurre uniformemente sobre la superficie lateral del
envase. Utilizando este sistema se ha determinado como evoluciona el coeficiente superficial
de transmisión de calor en función del caudal de agua, comprobándose que existe una
relación exponencial. Las diferencias encontradas indican que el caudal de agua
sobrecalentada bombeada es uno de los principales factores de calidad en los tratamientos
térmicos, que influirá de forma decisiva en los resultados obtenidos.
1. INTRODUCCIÓN
La industria conservera europea, al contrario que la de EEUU, ha optado por la utilización
mayoritaria de sistemas de transmisión de calor mediante distribución de agua caliente sobre
los envases de alimentos, ya sea a presión atmosférica (pasteurizadores) o a presiones
mayores (autoclaves). En los autoclaves de este tipo se instalan dos sistemas para distribuir el
agua sobrecalentada: cascada desde plancha perforada o pulverización desde difusores,
mientras que para los pasteurizadores es más habitual la utilización del segundo sistema.
Como en estos equipos el calentamiento de los envases se realiza mediante la transferencia de
calor sensible (el agua de proceso se enfría a la vez que el producto se calienta), la
uniformidad del procesado será función del caudal de agua utilizada. La uniformidad sería
absoluta cuando se utilizara un caudal de agua infinito. Como esto último es imposible, cada
fabricante elige la capacidad de bombeo de su máquina de acuerdo a unos criterios que no
hace públicos. Lo más frecuente es que el caudal de agua de proceso bombeado tampoco se
indique en las características del equipo.
Junto a la uniformidad del proceso, el caudal bombeado determinará el coeficiente superficial
de transmisión de calor alcanzado en el proceso, del que dependerá la velocidad de
intercambio térmico y por ello el tiempo necesario para conseguir la intensidad de tratamiento
buscada.
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En la bibliografía no se recoge como afecta este caudal ni a la uniformidad del calentamiento
ni al coeficiente de película conseguido.
Cuando se pulveriza agua sobre un envase cilíndrico se producen unas salpicaduras que son
función de la presión con la que el líquido llega a la superficie del envase y que dificultan la
obtención de resultados ajustados en los cálculos de transferencia de calor, por lo que antes de
iniciar cualquier trabajo de ésta índole se debe conseguir un sistema de distribución del agua
que asegure su llegada sin presión y que sea únicamente la gravedad la fuerza que determine
la velocidad de circulación del agua sobre la superficie de los envases.
El objetivo del presente trabajo es desarrollar un sistema de aplicación del agua que asegure
su distribución sin presión, evitando las salpicaduras y consiguiendo un flujo laminar que
discurra uniformemente sobre la superficie lateral del envase y determinar como evoluciona el
coeficiente superficial de transmisión de calor en función del caudal de agua distribuido.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
Probeta de aluminio:
Se ha utilizado una probeta de aluminio Simagal 82, de las dimensiones y propiedades que se
recogen el la tabla 1. Las dimensiones de la probeta coinciden con las de los envase de
hojalata de medio kilo de capacidad que utiliza la industria conservera.
Dimensiones
Diámetro (m):
Altura (m):
Masa (kg):
Propiedades
cp (J/kg.K):
k (W/m.K):
Densidad (kg/m3)
Area lateral (m2):
Area base (m2):
0.073
0.11
1.28
960
174
2710
0.025214
0.004183
Tabla 1: Dimensiones y propiedades de la probeta de aluminio
Instalación:
El equipo donde se realiza el proceso consta de:
• Un depósito de acero inoxidable de 4 litros de capacidad donde se calienta el agua
mediante una resistencia de 2000 W. El control de la temperatura del agua se realiza
mediante un regulador OMRON modelo E5CKT configurado para control PID
• Un sistema de aplicación del agua sobre el envase de producto, que consta de una
bomba de rodete flexible YUNK modelo B2 de cuerpo de acero inoxidable y rodete de
nitrilo que alimenta una distribuidor que se encarga de que el caudal bombeado se
deposite sobre la superficie del envase sin presión y sin que se produzcan salpicaduras
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El caudal bombeado se ajusta mediante un variador de frecuencia OMRON modelo
SYSDRIVE 3G3MV.
• Un sistema de enfriamiento del agua que consta de un cambiador de calor de placas
soldadas SWEP modelo B8Hx20/1P-SC-S alimentado con agua de red
• Una tarjeta de control basada en un controlador PIC16F877 al cual van conectadas:
o 4 entradas analógicas: presión de agua en la tubería de distribución; caudal de
agua distribuida; temperatura del agua de entrada al intercambiador;
temperatura del agua de salida del intercambiador.
o 1 entrada digital: interruptor de nivel de agua.
o 2 salidas digitales: electroválvula de entrada del agua fría al cambiador y
electroválvula de entrada de agua al depósito.
o Puerto RS232 para comunicaciones con PC.
o Puerto RS485 para comunicaciones con el regulador y el variador de
frecuencia
• Un ordenador para la recogida de datos y el control del proceso mediante el programa
desarrollado.
El desarrollo informático se ha realizado mediante el programa LabVIEW 6.1.
Medida de la temperatura
La temperatura de centro térmico de la probeta de aluminio y del agua distribuida sobre ella
se ha recogido cada segundo mediante un data logger Ellab Tracsense de dos sondas PT-100.
Cálculos:
Para el cálculo del coeficiente global de transferencia de calor se parte del balance de calor en
el que el calor tomado por el producto será igual al cedido por el fluido caloportador [1], [2]:
dT
Δq = U ⋅ A ⋅ (Ts − T ) = m ⋅ c p ⋅
dt
separando variables e integrando quedaría:
U ⋅ A ⋅ ∫ (Ts − T ) dt = m ⋅ c p ⋅ ∫ dT
tf
Tf
ti
T0
la integral del primer término se resuelve gráficamente a partir de la curva de penetración de
calor, por lo tanto despejando:
m ⋅ c p ⋅ (T0 − T f ) ⎛ W ⎞
U=
⎜ 2
⎟
A⋅ I
⎝m ⋅K ⎠
A partir del valor de este coeficiente global se obtiene el de transmisión superficial o de
película (h):
1 1 r
= +
U h k
siendo r: radio del cilindro (m) y
k: conductividad térmica del aluminio (W/m.K)
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3. RESULTADOS
Las experiencias se han realizado bombeando agua a 80ºC sobre la probeta de aluminio, con
caudales que van desde 1 a 10 l/min, y midiendo la evolución de la temperatura en el centro
térmico de la probeta.
A partir de la curva de penetración de calor se ha resuelto gráficamente la integral referida en
el apartado anterior y con ella se ha calculado el coeficiente superficial de transmisión de
calor para cada una de las experiencias.
En la tabla 1 se recogen los resultados obtenidos para cada uno de los caudales empleados.
Caudal
l/min. m3/h.m2
1.2
17.143
2.7
38.571
3.4
48.571
3.9
55.714
4.1
58.571
4.9
70.000
6.1
87.143
6.4
91.429
7.7
110.000
8.4
120.000
8.9
127.143
10.4
148.571
10.9
155.714
Coeficiente de película
h (W/m2.K)
1135.5
3142.7
3607.6
3911.5
3937.3
4070.1
4670.2
4850.6
5220.4
5372.7
5338.8
5902.2
5807.3
Tabla 1: Coeficientes de película obtenidos para los distintos caudales
En la segunda columna de esta tabla se indica la equivalencia entre el caudal utilizado y el que
debería ser bombeado por metro cuadrado de jaula en los autoclaves industriales, para poder
obtener los mismos resultados. Estos valores son muy superiores a los instalados en los
equipos industriales, que en los casos más favorables alcanzan los 40 m3/h.m2.
El incremento del caudal bombeado será especialmente eficaz en el tratamiento térmico de
productos que al calentarse mediante un proceso por convección (líquidos de viscosidad baja
o sólidos de pequeño tamaño envasados en un líquido de gobierno también de baja
viscosidad) permitan una importante reducción del tiempo total de proceso cuando se
incremente la velocidad de cesión de calor desde el fluido caloportador a la superficie del
envase.
En la Gráfica 1 se ha representado la relación entre caudal y coeficiente superficial de
trasmisión de calor y se ha obtenido la ecuación matemática que los liga mediante un ajuste
por mínimos cuadrados. Se observa que el coeficiente de correlación es muy alto (R2=
0,9918) y que por lo tanto se puede emplear esta ecuación para hacer una predicción ajustada
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del coeficiente de película con el que se producirá la transmisión de calor en los equipos
industriales.
6000
5500
5000
Coeficiente de película (W/m2.K)
4500
4000
y = 2082.9Ln(x) - 4603.4
R2 = 0.9918
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
Caudal (m3/h.m2)
Grafica 1: Relación caudal-coeficiente de película
4. CONCLUSIONES
− Como era de esperar, existe una relación exponencial entre el caudal distribuido sobre los
envases y el coeficiente superficial de transmisión de calor alcanzado, cuya ecuación se ha
calculado.
− Los valores encontrados para este coeficiente de transmisión de calor son muy altos, lo
que es un indicador de la eficiencia del sistema de puesta en contacto agua envase.
− Los caudales empleados en la industria están muy lejos de la parte asintótica de la curva,
lo que significa que existe un amplio margen de mejora para pasteurizadores y autoclaves
aumentando el caudal de agua bombeada.
− Queda por conocer la influencia de este coeficiente superficial en la velocidad global de
transmisión de calor en productos de diferente conductividad térmica.
5. BIBLIOGRAFÍA
[1] Erdoğdu, F. (2005) “Mathematical approaches for use of analytical solutions in experimental
determination of heat and mass transfer parameters”. Journal of Food Engineering 68, 233-238.
[2] Incropera, F.P.; DeWitt, D.P. (1990) Fundamentals of Heat and Mass Transfer. John Wiley &
Sons, New York.
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