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.