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PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Dr. Carlos Enrique Ochoa Velasco
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PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE
CALOR
Dr. Carlos Enrique Ochoa Velasco
CONTENIDO
Propiedades térmicas de los alimentos
Tipos de transferencia de calor
Fuentes de calor
Efectos del calor en microorganismos y
enzimas
Efectos del calor en características
nutricionales y sensoriales
PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS ALIMENTOS
Operaciones de transferencia de calor son las más
importantes en la industria de alimentos
Remoción de calor Aplicación de calor
ALTERACIÓN DE:
Características
Físicas
Químicas
Sensoriales
Vida en anaquel
PRINCIPIOS
Los cambios que sufren los alimentos por el calor, es importante
entender las leyes o principios físicos que rigen los procesos con
la finalidad de tener procesos óptimos y productos bien
procesados.
Es necesario por tanto, la
combinación de la ingeniería y
ciencia de alimentos.
PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS ALIMENTOS
Conductividad térmica
La conductividad térmica es la propiedad que posee un material (alimento) a la transferencia de calor.
Como cualquier otra propiedad física de los materiales, la conductividad térmica depende de la temperatura.
Las unidades de la conductividad térmica son W/m°C.
k=q x L/(A x ΔT)
PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS ALIMENTOS
PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS ALIMENTOS
Densidad
La densidad es una de las propiedades más importantes en los procesos de separación en la industria alimentaria.
LA densidad de un material es igual a la masa entre el volumen que ocupa (kg/m3).
Como otras propiedades la densidad esta en función de la temperatura del material (a mayor temperatura menor densidad) y presión.
PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS ALIMENTOS
Densidad
En alimentos sólidos o en polvo se presentan dos formas de evaluar la densidad:
La densidad de una pieza individual
La densidad de bulto (se toman en cuanta el espacio de aire que existe entre las piezas individuales).
VISCOSIDAD
La viscosidad es una característica importante de los alimentos líquidos en la industria de alimentos. Por ejemplo, en todos aquellos procesos en los cuales los líquidos deben ser desplazados mediante el uso de bombas y tuberías.
La viscosidad se define como la resistencia de un fluido a fluir
PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS ALIMENTOS
Calor específico
El calor específico es una propiedad muy particular de cada
sustancia y varía ligeramente con la temperatura. La mayoría de las sustancias tienen calores específicos menores que
el del agua. El calor especifico es la cantidad de calor que se debe agregar a un
gramo de sustancia para elevar su temperatura en un grado centígrado.
Cp = Q/(m x ΔT)
Calor sensible y calor latente
MECANISMO DE TRANSFERENCIA DE CALOR
La transferencia de calor es un proceso dinámico de un cuerpo o región
caliente a una región fría. La velocidad de transferencia de calor se
encuentra en función de la diferencia de temperatura.
La diferencia de temperatura es necesaria para que se lleva a cabo la
transferencia de calor. No se puede hervir agua a 100°C si la fuente de
calor esta a 100°C.
𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 =𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑣𝑎𝑛𝑐𝑒
𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎
MECANISMO DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Existen 3 mecanismos de transferencia de calor:
• Conducción
• Convección
• Radiación
CONDUCCIÓN DE CALOR
La conducción es la transferencia de energía de las partículas
más energéticas de una sustancia a las adyacentes menos
energéticas, debido a las interacciones entre ellas. Puede
tener lugar en sólidos, líquidos o gases.
En los gases y en los líquidos, la conducción se debe a las
colisiones entre las moléculas durante su movimiento
aleatorio.
CONDUCCIÓN DE CALOR
Ley de Fourier Qcond = - k A (dT/dx) (W)
CONVECCIÓN DE CALOR
La convección es el modo de transferencia de energía entre
una superficie sólida y un líquido o gas adyacente que esta
en movimiento, e involucra a los efectos combinados de la
conducción y del movimiento de un fluido.
Cuanto mayor es el movimiento de un fluido, tanto mayor es
la transferencia de calor por convección.
Ante la ausencia de cualquier movimiento del fluido, la
transferencia de calor entre una superficie sólida y el fluido
adyacente se da mediante conducción pura.
CONVECCIÓN DE CALOR
La convección es convección forzada cuando el fluido es forzado a
fluir por medios externos como un ventilador, una bomba o el
viento.
La convección se denomina convección libre (natural) si el
movimiento del fluido es provocado por las fuerzas de flotación
inducidas por las diferencias de densidad, producto de la variación
de la temperatura en el fluido.
Ley de Newton
COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR
La mayoría de los procesos en alimentos presentan una transferencia de calor de
manera indirecta. Es decir, se calienta un fluido que a su vez calienta un placa
metálica y este al alimento.
Cilindro
ΔTlm= es la temperatura media logarítmica.
Ecuación ocupada en el cálculo de el
tamaño de equipos de procesos (pe.
Pasteurizadores)
Incrustaciones
COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR
RADIACIÓN DE CALOR
La radiación es la energía emitida por la materia en forma de
ondas (o fotones) electromagnéticos, como resultado de los
cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o
moléculas.
A diferencia de la conducción y la convección, la
transferencia de energía por radiación no requiere la
presencia de un medio entre el sistema y sus alrededores.
La transferencia de energía por radiación es la más rápida
(velocidad de la luz) y no sufre atenuación en el vació.
RADIACIÓN DE CALOR
La máxima tasa de radiación que puede emitirse desde una
superficie a una temperatura absoluta Ts está dada por la ley
de Stefan-Boltzman como:
Qemit,máx = σAT4 (W)
Donde A es el área de la superficie y σ = 5.67x10-8 W/m2.K4
es la constante de Boltzman.
De manera análoga,
Qabs,máx = αAT4 (W)
Se define como la fracción de radiación que se absorbe
RADIACIÓN DE CALOR
La superficie idealizada que emite radiación a esta tasa
máxima recibe el nombre de cuerpo negro. La radiación
emitida por todas las superficies reales es menor que la
radiación emitida por un cuerpo negro a la misma
temperatura y se expresa como:
Qemit,máx = εσAT4 (W)
Donde ε es la emisividad de la superficie. La propiedad de
emisividad, cuyo valor está en el intervalo 0 ≤ ε ≤ 1, es una
medida de lo cerca que una superficie se aproxima a un
cuerpo negro, para el que ε=1.
RADIACIÓN DE CALOR
La tasa neta de transferencia de calor por radiación entre dos
superficies se determina a partir de:
Qrad= εσA (Ts4 – Talr4) (W)
Microorganismos y enzimas
Características nutricionales y sensoriales
EFECTOS DEL TRATAMIENTO TÉRMICO EN ALIMENTOS
Tratamientos térmicos
Empacados Sin empacar
Eliminación de microorganismos y
estabilidad durante el almacenamiento Patógenos y
deteriorativos
EFECTOS DEL TRATAMIENTO TÉRMICO EN ALIMENTOS
EFECTOS DEL TRATAMIENTO TÉRMICO EN
ALIMENTOS
La OMS estima que existe alrededor de 100 millones de infecciones y/o
intoxicaciones asociadas con el consumo de alimentos. De las cuales 1
millón resultan en muerte.
Salmonella, Campylobacter, Listeria
E. coli O157:H7
Bacillus y Clostridium botulinum
Mesófilos
Termofilos
Termoduricos
La resistencia de los microorganismos a los TT dependen
del medio en el que se encuentren
EFECTOS DEL TRATAMIENTO TÉRMICO EN
ALIMENTOS
En enzimas el efecto principal del calor es debido a la desnaturalización de
las mismas. Lo cual favorece el alargar la vida útil del producto debido a que
se evita los cambios de color (pardeamiento enzimático), cambios en textura
y separación de fases de los productos alimentarios.
Polienoloxidasa Oscurecimiento
enzimático
Reducción de compuestos
fenólicos T(°C)
Pectinmetilesterasa Ablandamiento Degradación de pectinas
Y
Perdida de la nube
T(°C)
EFECTOS DEL TRATAMIENTO TÉRMICO EN ALIMENTOS
EL tratamiento térmico afecta de manera importante la calidad nutrimental de
los alimentos:
Pérdida de vitaminas termolábiles
Pérdida de sabor o sabor a cocido
Pérdida de firmeza
Pérdida de textura
Función de la concentración
inicial
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