Acondicionamiento Industrial UTN

download Acondicionamiento Industrial UTN

of 9

description

Acondicionamiento Industrial UTNConcepcion del Uruguay

Transcript of Acondicionamiento Industrial UTN

  • pgina 2

    INSTALACIONES TERMICAS MECANICAS Y FRIGORIFICAS

    5 AO ING. ELECTROMECANICA FAC.REG.C.DEL URUGUAY U.T.N.

    ACONDICIONAMIENTO INDUSTRIAL

    Acondicionamiento en General (Referencia PLANK cap:1)

    La conservacin de los alimentos data de mucho tiempo atrs. La aplicacin a escala industrial comenz al final del siglo 18 con el mtodo de enlatado,

    esterilizado y desaireado. Se introdujeron tambin los mtodos de desecacin artificial (carne, frutas, verduras, pescado,

    leche, huevos, etc.) Tambin se desarrollaron el ahumado, salado, conservacin con vinagre, especias, azucarado

    (turrn) y diversos otros productos qumicos. Se conoca tambin que la baja temperatura natural (bodegas subterraneas, manantiales fros,

    hielo, nieve, etc) ayudaba a prolongar la duracin de ciertos alimentos y bebidas. Se utilizaron tambin ,hace siglos ,mezclas frigorficas tales como nieve con sales y cidos.

    Las bajas temperaturas se comenzaron a utilizar a nivel industrial con la invencin de las mquinas frigorficas en la primera mitad del siglo 19.

    Primeramente se utilzaron temperaturas sobre 0C pero pronto se reconoci que sobre el nivel de 0C muchos productos alimenticios de gran inters comercial estn limitados en su conservacin, por lo que hacia el ao 1860 se comenz a congelar la carne.

    Se construyeron almacenes y barcos frigorficos. En argentina la primera instalacin se realiz en el ao 1882.

    La conservacin mediante refrigeracin es el nico medio que mantiene las caractersticas de los productos (sabor, olor, aspecto) casi naturales.

    Tambin se utilizan medios secundarios (ozono, gas, rayos ultravioletas, etc.).

    REFRIGERACION A TEMPERATURAS SUPERIORES A LA DE CONGELACION

    Causas de la descomposicin de los alimentos

    * Procesos Puramente Fsicos: La evaporacin del agua (componente principal ) produce: Desecacin, contraccin de la superficie, decoloracin, volatilizacin de componentes aromticos que condicionan el sabor y olor.

    * Procesos Qumicos y Bioqumicos: En la conservacin se producen complicados procesos qumicos donde intervienen enzimas.

    las primeras modificaciones pueden ser incluso beneficiosas (desarrollar el sabor, enternecer la carne, madurar, etc.)

    El almacenaje prolongado inicia la descomposicin de los albuminoides en las carnes y pescados. Los frutos expelen sus componentes alimenticios y aromticos. El oxgeno del aire oxida las grasas y produce decoloracin y sabor rancio.

    * Accin de Microorganismos: La otra causa adicional de la descomposicin de los alimentos durante el almacenaje son los microorganismos (bacterias y hongos).

    Los frutos son atacados preferentemente por mohos, las carnes, pescados y huevos por las bacterias, que se nutren de hidratos de carbono, grasas y albuminas. El metabolismo de estos elementos producen modificaciones desagradables.

    La parte interna de carnes y pescados recin secrificados es practicamente esteril la infeccin parte de la superficie y la multiplicacin de los microorganismos se produce exponencialmente y unos cientos de bacterias por cm2 se pueden convertir en horas en millones. La carne resulta incomestible cuando posee de 10 a 100 millones de bacterias por cm2.

    INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA

    Los procesos de descomposicin son funcin directa de la temperatura. La evaporacin del agua es funcin de la tensin del vapor y sta de la temperatura (30 C - 31,8

    mmHg ; 0 C - 4,6 mmHg ).

  • pgina 3

    La velocidad de una reaccin qumica depende de la temperetura, como promedio estimamos que con un DELTA t = -10 C ,el tiempo de enfriamiento se reduce a un 50 - 33% del original. Esto lleva a aumentar el tiempo de conservacin al bajar la temperatura.

    En algunos frutos los coeficientes de temperatura de reaccin son tan diferentes al aproximarse a 0C que se presentan alteraciones fisiologicas en el sistema y conducen a la aparicin de "enfermedades de conservacin" por Ej. a temperaturas inferiores a 4C en las papas aparece un sabor dulce.

    En cuanto a los microorganismos, las distintas especies se reproducen mejor en determinados rangos de temperatura y cesan de hacerlo a determinadas temperaturas pero muchos no mueren por lo cual al descongelarlos, o subir de temperatura se vuelven a reproducir.

    INFLUENCIA DE LA HUMEDAD RELATIVA

    Una alta humeded relativa puede tener beneficios en cuanto a la disminucin del efecto de secado, pero favorece la multiplicacin de microorganismos (ver fig 1 pg.6 Plank)

    La humedad relativa puede aumentarse si se baja la temperatura. La humedad relativa no tiene influencia sobre las reacciones qumicas y el metabolismo.

    INFLUENCIA DE LA CIRCULACION DEL AIRE

    La circulacin del aire fevorece la evaporacin del agua (secado) pero este problema queda ampliamente compensado por el menor tiempo de congelacin que trae aparejado.

    La circulacin del aire impide la subida de la humedad a la mercadera y ayuda a la formacin de una superficie desecada disminuyendo la formacin de bacterias.

    Actualmente se suele cubrir la mercadera a conservar con materiales sinteticos anulando el problema de prdida de peso y formacin de bacterias, pudiendo aprovecharse as todas las ventajas de la circulacin del aire.

    PROCESOS DE CONSERVACION Y CONGELACION

    Fro Necesario para la Refrigeracin de Alimentos.

    Se trata de la necesidad de calor a extraer a un producto para producirle un descenso de Temperatura. Esta cantidad de calor depende del tpo de producto influido en mayor grado por el contendo de agua. Hay Tablas con valores de entalpa para distntos productos y temperaturas. El fro necesario ser:

    Q (Kcal/Kg) = i - io (Kcal/Kg) (tabla 1 pg. 9 PLANK)

    En el caso de las fruas las transformaciones qumicas (metabolismo) generan calor el cual debe ser considerado aparte de la variacin entalpica, ste calor es funcin de la temperatura. En el caso de la carne tambin hay un proceso similar.

    EJEMPLO: naranjas: Temp.(C) 0 4,4 15.5 27 Q (Kcal/t.da) 252 396 1400 2245

    * (ver tabla 3 pg 13 Plank)

    Prdida de Peso Durante la Refrigeracin y Almacenaje:

    Debido al contenido de agua de los alimentos hay una evaporacin superficial que aumenta con la velocidad del aire y con bajas humededes relativas pudiendo evaluarse como:

    Delta G = F (X - Xo) : Indice de evaporacin (Kg/mh) F: Area de evaporacin (m) X: Humedad absoluta del aire (Kg/Kg)

  • pgina 4

    Tambin en ste caso hay valores obtenidos de la prctica.

    Delta G = F (p - po) Pg. 90 PLANK

    Tiempo de Enfriamiento: (Z) (Producto sin congelar)

    Segn Newton:

    Z(horas) = 2,32/K (0,37+log10 ( (ti-tm/ti-tf) . log10 (ti-tm/tf-tm))

    K (coeficiente de proporcionalidad) = alfa.(0,0034 + 22,4.delta)

    donde: ti: temperatura inicial del producto. (C) tf: temperatura final del producto. (C) tm: temperatura del medio refrigerante. (C) K: coeficiente de proporcionalidad. alfa: coefic. de cesin de calor del aire. (kcal/mhC) delta: espesor del trozo de carne. (cm)

    El tiempo de enfriamiento Z depende de muchos factores que estn implicitos en stos y de otros que no como la posibilidad de que el producto este embolsado (pollos), etc. La prctica nos da los valores reales para las distintas condiciones.

    CONGELACION DE PRODUCTOS ALIMENTICIOS

    Cuando un producto ser conservado durante tiempo prolongado es necesario congelarlo, con lo cual se solidifica la mayor parte del agua que contiene y solo una pequea parte de sta queda concentrada (jugos). Este proceso presenta cambios agresivos a la estructura de los alimentos pues hay separacin de las sustancias que lo componen y el fenmeno no es reversible produciendose por este motivo una desnaturalizacin de la sustancia. La temperatura de congelacin comienza para la mayora de los productos alrededor de -1C y sta finaliza a distntas temperaturas quedando normalmente un porcentaje de lquido concentrado aproximadamente un 10% la velocidad de congelacin es importante pues influir en el aspecto que presente el producto al ser descongelado (olor, sabor, consistencia) y sto tiene su fundamento en que los cristales de hielo que se forman son menores y no destruyen los tejidos. Si la velocidad es elevada, la irreversibilidad del proceso disminuye acercandose las condiciones y aspecto que tendr el producto al ser descongelado a las naturales. Esta tcnica es muy usada actualmente tanto a nivel industrial como domiciliario (freezers o congeladores rpidos).

    TIEMPO DE CONGELACION

    Este Tiempo depende de muchos factores: Diferencia de temperatura entre el producto y el medio, velocidad del aire- medio, caractersticas del producto dimensiones fsicas, coeficiente de cesin de calor, coeficiente de conductibilidad trmica, envasado o no del producto, etc. Las frmulas de clculo, muy complejas se apartan de los resultados en la prctica, por lo cual es menester considerar los resultados obtenidos en condiciones similares a la que analizamos.

    FRIO NECESARIO PARA LA CONGELACION DE PRODUCTOS

    El mtodo mas simple es considerar el salto entlpico del producto:

    Q = Delta i

    donde: Q: Calor cedido por el producto (Kcal/kg) Delta i: Variacin de la entalpa del producto (Kcal/kg)

    Este calor cedido se distribuye de la siguiente manera:

    1) Solidificacin del agua contenida (ste proceso es a temperatura variable por efecto de la concentracin de sales que bajan paulatinamente su punto de fusin)

  • pgina 5

    2) Descenso de la temperatura del producto congelado as como su parte slida.

    * En la prctica esto se realiza a travs de aire forzado enfriado en serpentinas de refrigerante (NH3, R22, R12, R512,salmuera, etc.) ; mediante la inmersin en una solucin refrigerante (salmuera, etc) atravs de placas metlicas (peces o serpentinas (lquidos) en intimo contacto con el refrigerante. Este ltimo es por supuesto el mtodo por el cual el tiempo de congelacin se minimiza.

    ALMACENES FRIGORIFICOS

    TIPOS FUNDAMENTALES DE FRIGORIFICOS

    El destino de un frigorfico es la refrigeracin, congelamiento o conservacin ,o cualquiera de los tres procesos de productos alimenticios o no. Los tipos son: PRODUCCION:Proporcionan la refrigeracin necesaria para una empresa de productos alimenticios.Se refrigera, congela y conserva el producto,la capacidad est de acuerdo a la empresa. DISTRIBUCCION:Poseen gran capacidad para almacenar productos (conservacin),estn ubicados en los centros de consumos.Tienen requerimientos de espacio, temperatura,y condiciones ambientales variables. DE PUERTOS: Normalmente son de conservacin y tienen caractersticas adecuadas de disposicin y maniobra. MIXTOS: Cumplen ms de una funcin. DE ABASTECIMIENTO: Abastecen grandes zonas.Se aprovisionan de los otros. PEQUEOS: Conservan pequeos volmenes por pequeos perodos de tiempos. TRANSPORTABLES: Son mviles:barcos,vagones,camiones.

    SISTEMAS DE ENFRIAMIENTOS:----- Amonaco(NH3),o FREON ----- Hielo, o salmuera

    DOCUMENTACION PARA LA EJECUCION DE UN PROYECTO

    Se debe contar con toda la informacin disponible al respecto y hacer un profundo anlisis de la misma junto con las necesidades que tendr:fro,espacio,capacidad,plataformas,etc.

    NECESITAMOS:

    a) Planos del terreno, con vas de comunicacin aledaas. b) Datos del suelo, desague,etc. c) Datos sobre energia elctrica y agua disponibles.

    PLANIFICACION DEL FRIGORIFICO: a) Eleccin del sistema de enfriamiento. b) Disposicin de la instalacin. c) Construccin de cmaras, aparatos y caerias. d) Calculo trmico. e) Esquemas de caerias. f) Especificaciones del equipo y accesorios, memoria tcnico descriptiva y planos.

  • pgina 6

    CALCULO DE LA CAPACIDAD Y DE LA SUPERFICIE DE LAS CAMARAS FRIGORIFICAS

    En los frigorificos de produccin la capacidad de las cmaras de enfriamiento y congelacin se determina en base a la mxima entrada mensual o estacional de productos. Las cmaras de enfriamiento se dimencionan de acuerdo a la entrada diaria,las de congelacin de acuerdo al tiempo de congelacin con exclucinde los tiempos muertos(carga,descarga,descongelamiento,etc). El volumen de las cmaras de conservacin en funcin del volumen de las anteriores y del tiempo de conservacin y del tipo de producto,etc. En los frigorificos de distribuccin la capacidad se fija en base a la carga mxima(de estadsticas).

    CALCULO DE LAS SUPERFICIE DE LAS CAMARAS

    Se basa en la capacidad y en la carga especifica superficial y volumetrica.

    SUPERFICIE CONSTRUCTIVA (Fconst)

    Sconst= L * B = * E / h = Sc + c * l + a * n + s = (m)

    L:longitud de la cmara (m) B:ncho de la cmara (m) :coeficiente de aumento de la superficie de carga por pasillos,baterias de enfriamiento,espacio de las

    paredes,circulacin,etc. E:capacidad necesaria (Kg) h:carga de producto por m (Kg/m) tabla 96 Komarov Sc:superficie de carga de la cmara(m) c:separacin de las paredes (0,3m) y ancho de bateriasde enfriamiento. l:longitud de las paredes y de las baterias de enfriamiento (m) a:lado de una columna cuadrada o dimetro (m). n:numero de columnas. s:area de circulacin.

    La altura de estiva del producto y otros datos se encuentran en tablas. Los fabricantes de aislantes nos dan tambin los valores de compresin admisible de sus productos. (P0HLMAN 533-534)

    sigma de compresin = 5 ton/m (poliestireno expandido de 25(Kg/m3)

    =1,40% cmaras chicas (20-80m) 1,30% " medianas(80-300m) 1,20% " grandes ( >300m)

  • pgina 7

    PLANIFICACION DE LOS FRIGORIFICOS

    Hay que prever la distribucin mas racional de las cmaras,pasillos,ascensores,corredores,plataformas,etc.

    El nmero de pisos debera ser tal que la forma final fuera un cubo pero trar complicaciones y limitaciones en cuanto a la carga sobre el terreno.1.5 a 2.5 Kg/cm2 La altura de cmaras con rieles aereos oscila entre 3,6 a 4,5m para productos congelados 3,2m_4m segn la forma de estiba en el caso de usar bandejas puede ser mayor. Tambien se estiban pallets en porta pallets. en el caso de productos congelados envasados 5_6m. Debe preverse tambien un frente suficiente para los trabajos de carga y descarga y el menor trayecto posible para el producto. La sala de mquinas se dispone al lado del edificio principal. Los frigorficos de produccin se proyectan en base al proyecto tecnolgico seguido y depende de cada industria. Los frigorficos de distribucin poseen pocas cmaras por piso pero grandes y pequeos corredores. tabla 97Komarov p.262 En planta baja poseen cmaras de congelacin ,expedicin e instalaciones de produccin.En los stanos poseen cmaras sobre 0C para evitar la congelacin del suelo y las dilataciones.

    En la actualidad hay que utilizar las tecnologas constructivas y de estiba que se disponen: Autoelevadores, carretillas elctricas y manuales, sistemas de traslado robotizados y sistemas de carga/descarga que faciliten el criterio de que el primer producto que entra es el primero que debe salir o FIFO (en ingls).

    El diseo deber tener en cuenta maximizar el espacio de almecenamiento y adecuar los espacios para el movimiento de la mercadera al ingresar, circular y salir hacia expedicin, realizando un adecuado Lay Out que tenga en cuenta en el diseo tanto la condicin inicial como las futuras ampliaciones.

  • pgina 8

    CALCULOS TERMICOS DE LOS FRIGORIFICOS

    Para obtener el consumo de refrigeracin de c/una de las cmaras y luego de todo el frigorfico para las condiciones ms desfavorables: Mxima temperatura exterior y mxima carga contando con los datos necesarios ( planos ,orientacin, condiciones climticas, etc. ) se determina el consumo de refrigeracin total Q en 24 hs.

    COSUMO TOTAL Q = sum Q1 + sum Q2 + sum Q3 + sum Q4 ( Kcal/24 hs.)

    Donde: Q1: Prdidas por transmisin a travs de muros exteriores Q2: Refrigeracin necesaria para enfriar y congelar los productos. Q3: Refrigeracin necesaria para enfriar y secar el aire de ventilacin. Q4: Prdidas trmicas por apertura de puertas, operarios, iluminacin, forzadores de aire, etc.

    PERDIDAS A TRAVES DE SUPERFICIES (paredes+techo+piso) (Q1)

    Se determina por separado para cada cmara computando piso, techo y paredes.

    sum Q1 = sum ( S.K ) * ( tc - text ) * 24 ( Kcal/24 hs.)

    Donde: S.K = Superficie de la pared, techo o piso multiplicada por el coeficiente de transferencia trmica. (m) * ( Kcal/mhC ) y K toma valores del orden de 0,3 a 0,4 (Kcal/mhC)

    1/K = 1/alfa1 + esp/lambda + 1/alfa2

    ANEXO DE VALORES USUALES: K = 0,2 Paredes exteriores. = 0,3 Paredes interiores = 0,4 Paredes exteriores de antecmaras. DENSIDADES DE VALORES DE POLIESTIRENO EXPANDIDO: TECHOS 20 Kg/m3 PAREDES 20 Kg/m3 PISOS 25 Kg/m3 CAERIAS 20 Kg/m3 LAMBDA del poliestireno expandido (25 kg/m3) = 0,025 ( Kcal/m.h.C )

    tc = Temperatura de la cmara. text = temperatura exterior

    Las superficies de las paredes, etc. se miden entre ejes. Las alturas se toman entre niveles de pisos. La temperatura de clculo del aire exterior:

    text = 0,4 tmm + 0,6 t

    mx.

    Donde: tmm = Temperatura media mensual. tmx = Temperatura media mxima del mes mas clido.

    ANEXO DE TEMPERATURAS EXTERIORES PARA LA ZONA DE ENTRE RIOS:

    SUELO DE CAMARA SOBRE TIERRA + 15 SUELO DE CAMARA SOBRE SOTANO + 20 PARED EXTERIOR AL SOL + 35 PARED EXTERIOR A LA SOMBRA + 30 PARED EXTERIOR EN TIERRA + 18 PARED EXTERIOR LINDANTE CON SALA DE TRABAJO + 25 PARED INTERIOR QUE TOCA A SOTANOS SIN SUBTERRANEO + 20 PARED INTERIOR QUE TOCA A SOTANOS CON SUBTERRANEO + 15 PARED INTERIOR QUE TOCA A ANTECAMARA + 35 / + 18 BUHARDILLAS NO HABITADAS + 35

  • pgina 9

    CASOS ESPECIALES:

    Cmara con vestbulo cerrado colindante con el exterior: Se considera el 70 % del Delta t.

    Cmara - cmara sin contacto exterior: Se considera el 40 % del Delta t.

    Piso de cmara - subsuelo no refrigerado: Se considera el 50 % del Delta t.

    Radiacin Solar: Se incrementa el valor calculado del DELTA t para el clculo de la prdida por superficies en un valor que se obtiene en funcin del Color de la pared y de la orientacin de la misma. ( Ver pginas 25 y 26 del libro CP 67 utilizando los valores para la zona de E.R. correspondientes a 35 de latitud. ). Estos datos son vlidos para las condiciones de la zona.

    qsolar = S * K * DELTA tsolar

    S: Superficie de la pared K: Coeficiente de transferencia de calor DELTA tsolar: Aumento de la temperatura de la pared debida a la radiacin solar.

    La manera terica de obtener el nmero es la siguiente:

    qsolar = 0.75 ( (qR . e)/25) -(te-tc)) .k(kcal/m2h)

    qR: Intensidad de la radiacin solar en verano (kcal/m2h) e : Coeficiente de absorcin (depende del edificio) te-tc: Diferencia de temperatura exterior cmara. K: Coeficiente de transmisin de paredes o techo (kcal/m2hc)

    CALOR A EXTRAER PARA ENFRIAR EL PRODUCTO Q2

    Suma Q2 = Suma(G.c + Ge.ce)*(t1 - t2) ( Kcal/24 hs.)

    Donde: G = Peso de los productos a enfriar en 24 h. c = Calor especfico de los productos a enfriar en 24 h. Ge = Peso de los envases cada 24 h. Ce = Calor especfico de los envases. t1 y t2= Temperaturas iniciales y finales de prod. y envases.

    CALOR A EXTRAER PARA CONGELAR UN PRODUCTO (Q2)

    Suma Q2 = Suma G[C(t1-t')+w.Ca.80+Co(t'-t2)] + Suma. Gt.Ct.(t1-t2) ( Kcal / 24 hs)

    t': Temperatura de congelacin del producto en C ( tabla 150 ) Ca: Contenido de agua del producto. w : Cantidad de agua congelada a la temperatura final del prod. Co: Calor especfico del producto ( kcal/kgC ) a la temperatura de congelacin. T1 y T2: Temperaturas inicial y final

    Ej: pescado a: - 5 C w = 70/75 % - 10 C w = 75/80 % - 15 C w = 80/85 % - 20 C w = 85/90 %

  • pgina 10

    Se pueden utilizar tambin: q2 = 36 ( t2 - 0,8 ) 0,19 (Kcal/kg)

    q2 = G (i1 - i2 ) (Kcal/24 h)

    i: entalas iniciales y finales (1 y 1) G: Masa de Producto

    REFRIGERACION NECESARIA PARA VENTILACION (Q3)

    En el caso de que haya ventilacin demandada por el producto, esta vale:

    Sum Q3 (Kcal/24hs)= sum a . V(m3).da(kg/m3).(ie-ic)(Kcal/Kg)

    a:frecuencia diaria de renovacion de aire(ren/24h)(valor minimo, a=2) V:volumen de la cmara(m3) da: Densidad del aire (kg/m3) calor especfico del aire ie e ic: Entalpias del aire exterior y de cmara (Kcal/Kg).

    La renovacin en grandes frigorficos se toma 20 m3/h persona En el caso de producto congelado no es necesario renovar si fuera por la mercadera, pero si por los operadores.

    PERDIDAS POR APERTURAS DE PUERTAS;ILUMINAC. FORZAD;ETC (Q4)

    1) APERTURAS DE PUERTAS:de tabla 102 Komarov p.270

    En funcin del destino de cmaras y la superficie en planta se obtienen las prdidas.

    2)ILUMINACION DE CAMARA: Qil=A*S(Kcal/h) 860 Kcal/h=1Kw Para iluminacin incandescente: A=4Kcal/mh para 7.5W/m y 0.6 de simultaneidad de funcionamiento. S=superficie de la cmara. 3)PERMANENCIA DE OPERARIOS:

    Qoperarios = numerooperarios *120 (Kcal/h*hombre)

    Temparatura Local (C) 10 5 0 -10 -18 -27 Calor disipado por personas (Kcal) 180 210 240 280 330 350

    Se puede estimar: sum Q4= 0.1sumQ1 para frigorficos grandes 0.4sumQ1 " " pequeos

    Las ganancias de calor por cmaras contiguas no se computan pus pueden no estar funcionando.

    4) Calor de motores elctricos P(Kw)*860 ( Kcal/kw*h )