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UNIVERSIDAD TCNICA DEL

NORTE

FACULTAD DE INGENIERA EN CIENCIAS AGROPECUARIAS Y

AMBIENTALES

FACULTAD DE INGENIERA AGROINDUSTRIAL

INTERCAMBIADORES DEL CALOR.

NOMBRE: Morales Juan Carlos

CURSO: sptimo agroindustrias

FECHA: 22/12/2014

}

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CONCEPTO

Un intercambiador de calor es un dispositivo diseado para transferir calor entre dos

medios, que estn separados por una barrera o que se encuentren en contacto. Son parte

esencial de los dispositivos de calefaccin, refrigeracin, acondicionamiento de aire,

produccin de energa y procesamiento qumico.

En la planta de procesamiento de alimentos se lleva a cabo en equipos denominados

intercambiadores de calor.

CLASIFICACION

De contacto ini!ecto"

Placas

Carcasa y tubos.

Tubular

e super!cies rascadas

De contacto directo

Inyeccin de vapor.

Infusin de apor

!os intermbiadores de calor se pueden clasificar de forma genrica en directos e

indirectos. En los intercambiadores indirectos el producto y el agente calefactor o

refrigerante se mantienen separados fsicamente mediante una pared met"lica.

Intercambiadores usados en la industria #limentaria.

INTERCAMBIADORES DE PLACAS

Se $a encontrado un amplio campo de aplicacin de los intercambiadores de calor de

placas en la industria l"ctea y de bebida.

Este consta de una serie de placas de acero ino%idable apretadas cada una contra la

siguiente y montadas sobre un bastidor. &ediante 'untas de goma se sellan las entradas

y salidas delas placas para evitar la me(cla de dos fluidos que circulan por ella. #dem"s

estas 'untas conducen la corriente de fluido calefactor o refrigerante y la del producto.

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!os intercambiadores de placas son adecuados para lquidos de ba'a viscosidad )menos

de * +a.s.

Si en el fluido e%isten partculas en suspensin su di"metro equivalente debe ser menor

de -. cm, pues si son mayores pueden provocar cortocircuitos, produciendo

sobrecalentamientos.

# escala industria son $abituales los intercambiadores de calor son $abituales en

vol/menes de *--- y 0---- 1g2$ de producto.

Ventajas

&antenimiento simple y pueden desmontarse r"pida y f"cilmente para

inspeccin. Su diseo es $iginico.

+uede aumentarse su capacidad f"cilmente aadiendo m"s placas.

+ermiten a$orro de energa mediante la regeneracin.

INTERCAMBIADORES TUBULARES.

El m"s simple de todos es el de tubos concntricos, consta de dos tuberas concntricas,

una en el interior de otra, circulando los fluidos por el espacio anular y por la tubera

interior.

Una ligera variacin constituyen el cambiador de calor de tres tubos concntricos, a

veces el diseo del tubo interior puede ser especial para provocar turbulencias y me'orar

la transmisin de calor. #lgunas aplicaciones industriales son el calentamiento intenso

de (umo de naran'a de 3 a 4 56 y posteriormente su enfriamiento a 356, en el

enfriamiento lavado del requesn de 37 a 89 56 o en el enfriamiento con amoniaco del

mi% del $elado desde 80 $asta -.* 56.

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Carcasas t!"os

Es otro tipo de intercambiador usado en la industria se lo emplea para el calentamiento

y la evaporacin. En este tipo de cambiador el fluido circula por el interior de los tubos

mientras que el otro lo $ace por loa carcasa.

Si el fluido de la carcasa circula perpendicularmente a los tubos, la transmisin de calor

es mayor, que si lo $acen paralelamente: para lograr esto se introducen bafles en la

carcasa. +ueden reali(arse uno o varios pasos por el interior de los tubos, ya que el

fluido que circula por estos primeros pasa de i(quierda a derec$a y despus vuelve por

los tubos inferiores.

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Ca#"iadores de ca$or de s!%er&icie rascada.

En los cambiadores convencionales la transmisin de calor est" influenciada por la

prdida de carga y resistencia a la transmisin de calor provocada por el denominado

;ensuciamiento< de las paredes. Este ensuciamiento puede disminuirse si la superficie

se rasga por medios mec"nicos, el rasgado permite una transmisin de calor r"pido a un

volumen relativamente pequeo.

El material de contacto con los alimentos es acero ino%idable tipo 87, nquel, cromo=

nquel u otros materiales resistentes a la corrosin.

Su velocidad vara entre los 8*- y *-- rpm: una mayor velocidad permite una me'or

transmisin de calor, pero se puede daar las caractersticas del producto pues favorece

su maceracin. +or ello es importante elegir muy bien la velocidad dependiendo de cada

alimento a procesar. !a temperatura de traba'o suele ser entre *5 y 84-56.

El uso de los intercambiadores de calor rasgados en la industria de alimentos se

e%tiende a procesos de calentamiento, esterili(acin, pasteuri(acin, batido, gelificacion

, emulsificacion, plastificacin, cristali(acin etc. +uede utili(arse en fluidos de muy

variada viscosidad como (umos, sopas, concentrados, mantequilla, pur de tomate,

cremas pasteleras. Etc.

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Ca#"iadores de ca$or %or inecci'n de (a%or.

En estos cambiadores de calor el contacto entre el vapor y el producto es directo.

&ediante su diseo se pueden usar en productos como verduras, tro(os de carne o arro(.

6uando el vapor entra en contacto con las pequeas gotas de producto, la transmisin de

calor es muy buena y su temperatura aumenta r"pidamente debido a la condensacin del

vapor.

!a diferencia de temperatura entre al entrada y salida del producto puede variar

ampliamente puede ser tan ba'o como *,* 56 en la desodor(acion de la lec$e )>7,>=

90,0 o tan alta como 47,> 56, en la esterili(acin de pudines previa a su envasado

asptico )39,456= 83*,7.

El agua aadida al alimento durante el proceso produce la condensacin del vapor

puede ser deseable, pero si no lo es puede eliminarse mediante evaporacin flas$.

Su uso es regularmente es en coccin y2o esterili(acin de una gran variedad de

alimentos como concentrados de sopas, c$ocolates, queso, mi% de $elado, pudines.

Pro%iedades e$ectro#a)n*ticas

!as propiedades electromagnticas de los alimentos son importantes debido a que

muestran la capacidad de un productoal calentamiento por microondas o

radiofrecuencia. ?ambin se utili(an en la evaluacin de calidad de un alimento. !aspropiedades dielctricas son la constante dielctrica y el factor dielctrico de prdidas.

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!a constante dielctrica es la capacidad de un material de almacenar la energa de las

microondas y el factor dielctrico de perdidas es la capacidad de un material para

disparar la energa de las microondas en forma de calor. !as propiedades dielctricas

son funcin del contenido en $umedad, de la temperatura, y de la composicin del

material

Interacci'n de $os o"jetos con $a $!+

6uando la radiacin electromagntica c$oca con un ob'eto, la interaccin resultante se

ve afectada por las propiedades de un ob'eto o tales como el calor, dao fsico, y la

presencia de material e%trao sobre la superficie. +ara el control de calidad de los

alimentos se pueden utili(ar diferentes tipos de radiacin electromagntica. )Sa$in @

ABlBm Sumnu, 0--7

!a radiacin electromagntica se transmite en forma de ondas y se puede clasificar de

acuerdo a la longitud de onda y frecuencia. )Sa$in @ ABlBm Sumnu, 0--7

Co$or

El color es uno d los atributos importantes de calidad de los alimentos. #unque no

necesariamente refle'a valores nutricionales, de sabor o funcionalidad, determina la

aceptabilidad de un producto por parte de los consumidores. )Sa$in @ ABlBm Sumnu,

0--7

El color es un fenmeno de percepcin que depende del observador y las condiciones en

las que se observa el color. Es una caracterstica de la lu(, que es medible en trminos

de intensidad y longitud de onda. El color de un material llega a ser visible solamente

cuando la lu( de un ob'eto luminoso o fuente ilumina o c$oca sobre la superficie. )Sa$in@ ABlBm Sumnu, 0--7

+ara la presencia de color son necesarios un ob'eto, una fuente de lu( o un iluminante, y

un observador. !as fuentes de lu( pueden encender o apagar y se pueden utili(ar para

ver un ob'eto. +or otra parte, un iluminante es una descripcin matem"tica de una fuente

de lu(. )Sa$in @ ABlBm Sumnu, 0--7

E,!i%os de #edici'n de co$or

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!os instrumentos de medicin del color se pueden clasificar en dos tipos de categoraC

espectrofotmetros y colormetros. )Sa$in @ ABlBm Sumnu, 0--7

Es%ectro&ot'#etros

!os primeros mtodos instrumentales para la medicin de color estaban basados en la

espectrometra de transmisin o refle%in. En los espectrofotmetros, se requieren

proyectores cada uno con filtros ro'os, verde o a(ul en frente de la lente. !os $aces de

lu( ro'a, verde o a(ul se enfocan sobre una pantalla de tal forma que traslapen sobre la

mitad de un crculo. !a otra mitad es iluminada con otro proyector o con lu(

espectralmente pura desde un prisma o una re'illa, el observador puede ver

simult"neamente ambas mitades del crculo sobre la pantalla. 6ada proyector est"

equipado con un restato para variar la cantidad de lu( desde cada una de las fuentes

ro'a, verde y a(ul. El observador puede determinar las cantidades de ro'o, verde y a(ul,

requeridas para igualar casi cualquier color espectral mediante la variacin de la

cantidad de lu(. El color espectral se puede definir en trminos de cantidades de ro'o,

verde y a(ul. )Sa$in @ ABlBm Sumnu, 0--7

Co$or-#etros

#ntes de los aos 84*-, el c"lculo de los datosx,y,z a partir de los espectros era muycom/n pero requera de un traba'o computacional que conduca al desarrollo de una

integracin electrnica. +uesto que la integracin del espectrofotmetro era cara. Se

desarrollaron los colormetros triestmulo. Un colormetro triestmulo tiene tres

componentes principalesC

Duente de iluminacin.

6ombinacin de filtros utili(ados para modificar la distribucin de energa de la

lu( incidente2refle'ada. etector fotoelctrico que convierte la lu( refle'ada en salida elctrica.

6ada color tiene un patrn de $uella de reflectancia en el espectro. El colormetro mide

el color a travs de tres filtros de banda anc$a correspondientes a las curvas espectrales

de sensibilidad, las mediciones reali(adas en un colormetro triestmulo normalmente

son coloridas. Es necesario utili(ar est"ndares calibrados de colores similares a los

materiales que van a ser medidos para conseguir las mediciones m"s precisas. )Sa$in @

ABlBm Sumnu, 0--7

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PROPIEDADES DIELECTRICAS DE LOS ALIMENTOS

I#%ortancia de $a es%ectrosco%ia die$*ctrica

#ctualmente las industrias agroalimentarias est"n sometidas a importantes presiones

como son la internacionali(acin de mercados y la globali(acin de la economa, lo que

provoca una elevada competencia que obliga a las empresas a una innovacin constante,

a una evolucin tecnolgica y a responder con eficiencia a los cambios de $"bitos de un

consumidor cada ve( m"s e%igente. +or lo tanto, para poder competir en el mercado, las

empresas deber"n centrar sus esfuer(os en dos "reasC la innovacin en el proceso y la

innovacin en el producto. !a innovacin en el proceso, est" dirigida a la investigacin

y aplicacin de nuevas tecnologas. &e'orar e innovar en los procesos dar" lugar a

productos m"s seguros y de mayor calidad, lo cual est" relacionado con las e%igencias

actuales del consumidor.

Teor-a so"re es%ectros die$*ctricos

E%isten diferentes tipos de sensores basados en la interaccin de un material con la

radiacin electromagntica, en particularC sensores que utili(an la radiacin visible,

ultravioleta e infrarro'a, las microondas, las ondas de radio, los rayos F y las ondas de

alta frecuencia )Gesonancia &agntica Huclear. #lgunas de sus aplicaciones se

encuentran en el mercado desde $ace aos, particularmente para su utili(acin en el

laboratorio.

!as ondas electromagnticas est"n compuestas por un campo elctrico y un campo

magntico. 6uando la energa de microondas incide sobre un alimento, parte de esta

energa es absorbida por ste, produciendo un aumento de su temperatura

Mecanis#os die$*ctricos en siste#as ce$!$ares

E%isten diferentes mecanismos que afectan al comportamiento dielctrico de un

alimento. Estos mecanismos se dividen en dos clasesC fenmenos de resonancia y

procesos de rela'acin.

!os fenmenos de resonancia ocurren cuando el campo elctrico aplicado tiene una

frecuencia que coincide con la frecuencia de oscilacin natural del material. Estos

fenmenos de resonancia abarcan la polari(acin electrnica y atmica, y son

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producidos a las frecuencias m"s altas de microondas y por encima de ellas. !a

polari(acin electrnica se produce debido a la separacin de la nube de electrones con

respecto al n/cleo del "tomo al aplicar energa electromagntica, provocando un

despla(amiento de la posicin de equilibrio.

!os fenmenos de rela'acin se producen a frecuencias de microondas y

radiofrecuencias y caracteri(an, 'unto con la conductividad, el comportamiento

dielctrico de pr"cticamente todos los te'idos biolgicos a esas frecuencias. En

alimentos, estos fenmenos de rela'acin resultan de la interaccin de la radiacin

electromagntica con los constituyentes del te'ido tanto a nivel celular como a nivel

molecular: cada rela'acin est" caracteri(ada por un tiempo determinado de rela'acin .

El tiempo de rela'acin es una medida del tiempo que tardan las molculas en volver auna distribucin al a(ar cuando cesa la aplicacin del campo.

En un alimento se pueden diferenciar diferentes dispersiones o cambios en las

propiedades dielctricas al variar la frecuencia. ic$as dispersiones se producen por

diferentes fenmenos pero, en lneas generales, presentan cualitativamente efectos muy

similares, aunque aparecen a frecuencias muy diferentes. # continuacin se e%plicar" en

primer lugar la dispersin correspondiente a la polari(acin dipolar ocasionada por las

molculas de agua libre, para la me'or comprensin posterior del resto de fenmenos de

rela'acin que caracteri(an a los alimentos con estructura celular.

Po$ari+aci'n di%o$ar. Mode$o de De"e

!a polari(acin dipolar fue modeli(ada por ebye en 8404. Este modelo fue

desarrollado para describir el comportamiento de los dipolos permanentes en lquidos y

en disoluciones de molculas polares en solventes no polares.

Dis%ersiones caracter-sticas

!a constante dielctrica de un te'ido celular puede alcan(ar valores e%tremadamente

altos a ba'as frecuencias, por encima de incluso 8-7 o 8-> por deba'o de los 8-- J(. !a

constante dielctrica va disminuyendo al aumentar la frecuencia en diferentes pasos o

dispersiones. !a dependencia de las dispersiones con la frecuencia permite identificar e

investigar un gran n/mero de fenmenos de rela'acin, y por ello, el estudio de las

propiedades dielctricas en te'idos biolgicos $a sido sumamente importante en el

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campo de la biofsica, as como en otros campos como la medicina, tomando durante los

/ltimos aos una marcada importancia en el mundo de la ingeniera de alimentos.

Princi%a$es &actores ,!e a&ectan a $as %ro%iedades die$*ctricas de a$i#entos

!as propiedades dielctricas de un alimento se ven afectadas por numerosos factores,

incluyendo la frecuencia, temperatura, densidad, estructura del alimento, contenido en

$umedad y otros componentes del alimento como pueden ser el contenido en sales y en

grasa. # continuacin se van a anali(ar los factores m"s importantes, tratando de

comprender la respuesta del alimento frente a la radiacin electromagntica.

Te#%erat!ra

!a temperatura es un factor muy influyente en las propiedades dielctricas y, como es

obvio, debe ser controlado para obtener resultados fiables y comparables

!a influencia de la temperatura debe ser estudiada en cada caso ya que el tipo de

alimento del que se trate y su composicin afectan muy significativamente al efecto que

la temperatura tiene sobre las propiedades dielctricas. +or e'emplo, las prdidas

dipolares decrecen al aumentar la temperatura para el caso del agua pura, pero por el

contrario, en disoluciones salinas la contribucin de los iones al factor de prdidas posee

un efecto diferente, de tal modo que la conduccin inica provoca un aumento en el

factor de prdidas al aumentar la temperatura debido al decrecimiento en la viscosidad

del lquido y al incremento en la movilidad de los iones.

Frec!encia

!as propiedades dielctricas de los alimentos son fuertemente dependientes de la

frecuencia de medida. !a contribucin de la conductividad inica y los mecanismos de

polari(acin sobre el factor de prdidas. 6ada mecanismo contribuye al factor deprdidas en un rango de frecuencias concreto. 6ada dispersin ocurre en un rango de

frecuencias caractersticas del espectro.

El modelo de ebye )8404 puede ser utili(ado para describir esa dependencia con la

frecuencia para el caso de lquidos puros. +or otra parte e%isten e%tensiones de las

ecuaciones de ebye, en las que se tratan de abarcar casos que impliquen la influencia

de las partculas vecinas sobre las molculas dipolares y en las que se considere m"s de

un tiempo de rela'acin.

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Co#%osici'n de$ a$i#ento

Kbviamente las propiedades dielctricas de los alimentos dependen de su composicin.

El contenido en $umedad, el contenido en sales, $idratos de carbono, protenas y grasa

son algunos de los componentes m"s influyentes. !a constante dielctrica y el factor de

prdidas est"n afectados por la presencia de agua libre y agua ligada, las cargas

superficiales, electrolitos, no electrolitos, as como por los puentes de $idrgeno

presentes en el alimento.

!os cambios fsicos sufridos en el alimento durante su procesado, por e'emplo

des$idratacin, desnaturali(acin de protenas, as como los cambios bioqumicos en

algunos alimentos con estructura celular, o los cambios sufridos por las frutas durante su

senescencia, afectan a las propiedades dielctricas de manera significativa. +or ello, el

estudio del comportamiento de las propiedades dielctricas cuando e%isten cambios en

la composicin del alimento es necesario a la $ora de estudiar la viabilidad de estos

mtodos basados en las microondas y radiofrecuencia de seal para su aplicacin como

sensores de control en lnea no destructivos.

E$ a)!a

El agua es uno de los constituyentes m"s importantes de los alimentos, por ello esconsiderado un factor determinante en las propiedades dielctricas de stos. En este tipo

de sistemas, el agua es el medio en el que se encuentran disueltas sales, protenas,

"cidos nucleicos, y otras molculas de pequeo tamao: por ello, es difcil de

comprender y predecir el comportamiento dielctrico de los alimentos bas"ndose

/nicamente en el comportamiento del agua.

Contri"!ci'n de $os so$!tos

idratos de car"ono./ El efecto de los solutos no polares en disolucin acuosa provoca

una disminucin de la permitividad est"tica con respecto a la del agua pura a la misma

temperatura. Esta disminucin es debida a que al e%istir molculas del soluto no polar,

los dipolos de agua se encuentran diluidos y su respuesta dielctrica es menor.

+or tanto, los a(/cares modifican el comportamiento dielctrico del agua. !os puentes

de $idrgeno estabili(an las molculas de agua y afectan a las propiedades dielctricas

de la disolucin. El grado de interaccin con las microondas depende de la cantidad de

puentes de $idrgeno que puedan ser formados. !os grupos $idro%ilo de la glucosa son

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m"s accesibles que los del almidn para la formacin de puentes de $idrgeno. En el

almidn pocos grupos $idro%ilo est"n disponibles para reaccionar con el agua, y por

tanto, pocos puentes de $idrgeno pueden ser formados. +or ello, la presencia de

almidones en disolucin produce una menor reduccin en las propiedades dielctricas

que la ocasionada por los a(/cares.

E$ectro$itos./ El efecto de los electrolitos en las propiedades dielctricas de alimentos

es diferente al de los solutos no polares. En los alimentos, los electrolitos que se

encuentran m"s abundantemente son las sales y "cidos.

e manera similar a lo que se produce en disoluciones salinas, la adicin de sal a un

alimento provoca una reduccin de la constante dielctrica debido a la $abilidad de la

sal de ligar molculas de agua del sistema. !a fuer(a que provoca este efecto depende

del tamao y la carga de la molcula aadida. +or otra parte, la adicin de sal

incrementa el factor de prdidas por encima de aquel del agua pura debido a la

presencia de iones.

Prote-nas./ !os sistemas acuosos pueden contener protenas u otras biomolculas que

son capaces de mostrar varias dispersiones. Una protena normalmente posee un peso

molecular de varios rdenes de magnitud superiores al agua. 6onsecuentemente, la

dispersin dielctrica ocasionada por la protena ocurre a frecuencias menores que la

debida a las molculas de agua pura.

Estr!ct!ra de$ a$i#ento

!a estructura tiene una gran influencia en el valor que adquieren las propiedades

dielctricas del alimento. !os alimentos con estructura celular son sistemas comple'os

que poseen el citoplasma )regin conductora rodeado por una membrana )regin no

conductora: los iones se ven atrapados dentro de las interfases )regiones no

conductoras y, debido a que el movimiento de los iones es limitado, las cargas se

acumulan incrementando la capacitancia global del alimento y la constante dielctrica.

# frecuencias de microondas, la principal contribucin de la estructura vendr"

caracteri(ada por la limitacin del movimiento de dipolos e iones causada por las

membranas celulares.

BIBLIO0RAF1A

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