8/17/2019 Trabajo de Fase 1

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TITULO

Los principios de la ciencia física y ciencias fundamentales queestudian los procesos en los que se transere energía como calor ycomo trabajo así como la dinámica de uidos y los ujos másicos son

aplicados en el tratamiento y transformación de la leche.

La usabilidad de estos principios se ven reejados en el diseño deequipos desarrollo de nuevas líneas de proceso y en la mecani!acióny automati!ación de los procesos.

"n esta monografía no ahondaremos en las temáticas propuestas porcuanto el programa de ingeniería de #ndustrias alimentarias oferta ensu plan de estudios cursos acad$micos dedicados a profundi!ar enestos temas. %in embargo es importante tener presente estosconceptos pues nos fortalecen en la comprensión de los fenómenos

físicos que se suceden en la transformación de la leche y en elfuncionamiento de los equipos utili!ados en las líneas de proceso dela factoría.

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FUNDAMENTO TEORICO

PRINCIPIOS DE TERMODINÁMICA."n la industria láctea la mayor parte de las operaciones y procesosque se llevan a cabo comprometen el intercambio de calor. &nejemplo de ello es el tratamiento t$rmico que se da en la lechecuando se enfría en la recolección de leche cruda y cuando espasteri!ada. "n ambos casos el calor o el frio intervienen comomecanismo de conservación de la leche.El calor  puede denirse como la forma de energía que se transere deun sistema a otro debido a una diferencia de temperatura e'istenteentre dos sistemas. "l calor pasa de una forma natural desde uncuerpo más caliente hacia un cuerpo que se encuentra a temperatura

más baja.

(esde lo anterior se plantea que un requisito indispensable para quehaya transferencia de calor es que haya una diferencia detemperatura entre los dos sistemas. La transferencia de calor seproduce desde el sistema de temperatura alta al sistema detemperatura baja.

)uanto mayor es el gradiente de temperatura mayor es lavelocidad de transferencia de calor. La unidad de calor es la caloríaque estudia la cantidad de energía necesaria para variar en * grado

)elsius la temperatura de * gramo de agua a *+,). -ambi$n se puedeutili!ar el julio que es igual a ./012 calorías.

El calor especifco C de un producto o materia se consideracomo una medida de la capacidad del material para almacenarcalor y se dene como la cantidad de calor necesaria para variar enuna unidad de temperatura una unidad de peso de la sustancia porcalentamiento o enfriamiento sin que cambie su estado. "l calorespecíco depende de cada producto de la temperatura delporcentaje de agua y de la presión.

La unidad del calor especíco es 3 4 56g7)89 3ulio 4:g 7 )elsius.

"l calor especíco puede ser a volumen constante 5)v8 o a presiónconstante 5)p8. )p ; < )v. =ara los gases ideales )p < )v > ?@ ? A;)onstante de Bolt!man.

=or ejemplo para el aire e'presado en calorías por gramo y porgrado )elsius@ ).p es igual a ./C y ).v es igual a .*D.

"l calor especíco para la industria láctea es un valor nominal que se

puede calcular mediante la siguiente ecuación9

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"n donde).p

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calor que ha servido para un cambio de estado y la parte que haservido para el enfriamiento.

Sisteas !e transisi"n !e calor.

La transferencia de calor siempre se produce del sistema detemperatura más elevada hacia el de temperatura más baja. Latransferencia de calor se detiene cuando los dos sistemas alcan!an lamisma temperatura. La energía no se transere de un sistema detemperatura baja a otro de temperatura más alta si no se reali!atrabajo.

Los mecanismos básicos de transferencia de calor son9 conducciónconvección y radiación. "n la industria lechera los mecanismos másutili!ados son los de conducción y convección en donde intervienenlas operaciones de calentamiento y enfriamiento.

Transisi"n !e calor por con!#cci"n.

La conducción es el mecanismo de transferencia de calor debido ala interacción entre partículas adyacentes del medio. Fo se producemovimiento macroscópico de las mismas. =uede tener lugar ensólidos líquidos y gases aunque es característica de los sólidospuesto que en gases y líquidos siempre se producirá convecciónsimultáneamente.

La transmisión de calor por conducción se sucede por ejemplocuando se tiene un gas en el que e'iste un gradiente de temperaturasy no hay movimiento global. "l gas ocupa todo el espacio entre dossupercies. )uando las mol$culas vecinas chocan ocurre unatransferencia de energía desde las mol$culas más energ$ticas a lasmenos energ$ticas. "n presencia de un gradiente de temperaturas latransferencia de calor por conducción ocurre en el sentido de latemperatura decreciente en dirección positiva del eje de las ! comose muestra en la gura *2.

"n los líquidos la situación es muy similar que en los gases aunque

las mol$culas están menos espaciadas y las interacciones son másfuertes y frecuentes. "n los sólidos la conducción se producepor cesión de energía entre partículas contiguas.

"n un sólido no conductor la transferencia de energía ocurresolamente por vibraciones reticulares en cambio en los sólidosconductores se debe tambi$n al movimiento de traslación de loselectrones libres. "n la conducción macroscópicamente no involucratransporte de materia.

La transferencia de calor por conducción sigue la ecuación conocidacomo la primera ley de Mourier.

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La ley de Mourier sigue la siguiente ecuación9

" = # $ % d&/ d! 

"n donde

" es el calor transmitido por conducción proporcional al gradiente detemperatura d& d!. E!presado en '.

K Es la conductividad t(rmica en '/m )C

d&/ d! es el gradiente de temperatura en )C/m en la dirección del*u+o del calor ! 

 % es el ,rea transversal de trans-erencia en m

(e acuerdo al segundo principio de la -ermodinámica el calor debeuir hacia la !ona de temperatura más baja. "ntonces el gradiente detemperaturas es negativo si la temperatura disminuye para valorescrecientes de ! por lo que si el calor transferido en la direcciónpositiva debe ser una magnitud positiva en el segundo miembro de laecuación anterior hay que introducir un signo negativo.

)uando se tienen capas sucesivas de distintos materiales como porejemplo en la pared de un frigoríco la transmisión de calor N es9

" = % &0 1 &23/ 40/K0 5 42/K2 5 46/K6.

"n donde 40 42 46 corresponden al espesor de cada uno de losmateriales y K0 K2 K6 corresponde a la respectiva conductividadt$rmica. %e tiene que cuanto mayor es el t$rmino 4/K  menor es latransmisión de calor y viceversa.

=ara el caso de tuberías la ecuación anterior es modicada porcuanto las supercies a trav$s de las cuales se transmite el calor sonvariables. "n ese sentido se utili!a la siguiente ecuación9

" = / OL 5-P Q -R8 4 SLn 5(R4(P8 4:P > Ln 5(T4(R8 4:R > Ln 5(C4(T84:TU

"n donde L es igual a la longitud del tubo (P (R (T y (Ccorresponden al diámetro de los tubos en orden creciente y -P Q -R esla caída de temperatura desde el centro hacia el e'terior del tubo.

Transisi"n !e calor por con$ecci"n.

"n la transmisión por convección se transere la energía entre unasupercie sólida y el uido adyacente 5líquido o gas8. )omprende

los efectos combinados de la conducción y el movimiento del uido."'iste movimiento macroscópico de las partículas del uido.)uanto más rápido es el movimiento del uido mayor es la

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transferencia de calor por convección. "n ausencia de dichomovimiento la transferencia de calor entre una supercie sólida y eluido adyacente sería por conducción pura.

=uede darse convección for!ada y natural. La convección for!ada

ocurre cuando el uido es for!ado a uir sobre la supercie mediantemedios articiales como ventiladores y bombas por ejemplo.La convección natural ocurre movimiento del uido debido a causasnaturales. Las fuer!as de empuje son inducidas son inducidas por ladiferencia de densidad debida a la variación de temperatura en eseuido. "n contraposición con la conducción la convección implicatransporte de energía y de materia por lo tanto esta forma detransmisión de calor es posible solamente en los uidos y es ademáscaracterística de ellos.

La ecuación que describe este tipo de transmisión de calor se rige porla ley de enfriamiento de FeVton.

" = 7 % &s 1 &m3

En donde

7 = Coefciente de transmisión de calor por convección en '/m )C

 % = 8rea de la superfcie de trans-erencia

&s = &emperatura en la superfcie del sólido

&m = &emperatura media del *uido.

"l coeciente de transmisión de calor por convecciónfor!ada depende en general de la densidad de la viscosidad y de lavelocidad del uido así como de sus propiedades t$rmicas5conductividad t$rmica y calor especíco8 y la velocidad vieneimpuesta al sistema por una bomba ventilador etc y se puede medirdirectamente.

"l coeciente de transferencia de calor en la convección naturaldepende de la diferencia de temperaturas entre la supercie y eluido del coeciente de dilatación t$rmica del uido que determinael cambio de densidad por unidad de diferencia de temperatura y delcampo de fuer!as e'teriores que@ que en general corresponde alagravedad

Transisi"n !e calor Mi%ta.

"n la industria lechera sucede en la mayoría de los casos transmisión

de calor mi'ta@ es decir por conducción y por convección@ los cualesocurren en paralelo pero no de manera simultánea. &n ejemplo de loanterior es la refrigeración de la leche utili!ando un intercambiador

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de calor. "n ese caso hay transferencia de calor por convección entreel agua que enfría y la leche que es enfriada y transferencia porconducción a trav$s de la pared de las placas que separa la leche delagua. Lo anterior se comprenderá de mejor manera cuando se reviseel tratamiento t$rmico aplicado a la leche en la pasteri!ación.

"n la transferencia de calor mi'ta a trav$s de capas sucesivas laecuación a aplicar es9

"=9 % :& 

"n donde

9=Coefciente glo;al de transmisión de calor en '/m )C

%e tiene que en un sistema de transferencia de calor a trav$s devarios componentes con igual supercie como por ejemplo cámarasfrías la ecuación es9

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A "n el e'terior ladrillos de LR < .*m de espesor y de :R < .DX4m ,)

A "n el medio se tiene espuma de poliuretano de LT .*m y :T <./+ X4m ,)

C. temperatura del aire en la cámara de refrigeración es de ,) ytemperatura media del aire e'terior es de /,)

Resol#ci"n'

%e calcula el coeciente global de transmisión de calor en X4mY ,)9

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M=masa @ue *u?e en Kg

 :Τ=di-erencia de temperatura en el producto

C.p=Calor específco

"jemplo9

Calcular la cantidad de calor necesaria para calentar de D)C a H>)Cuna lec7e con el D de M ? para despu(s en-riarla de H>)C a L)C.4a lec7e circula a un *u+o de >.FFFKg/7.

Resol#ci"n'

"l calentamiento9

"=M C.p :Τ 

"= >.FFF/>.FF>.LD H>#D3

"=.FFF/>.FF>.LD H>#L3

"=FL.HFL> Iatts

%i se utili!a la leche a C,) para refrigerar la leche caliente habrá unequilibrio entre la cantidad de calor cedida por la leche caliente y lacantidad de calor absorbida por la leche fría que permite conocer latemperatura de la leche fría despu$s del precalentamiento.

FL.HFL>=>.FFF 3/>.FF>.LD D3&=F℃

Lo anterior indica que si se utili!a la leche fría para refrigerar laleche pasteri!ada se puede pre calentar la leche fría hasta 2,) 5esnecesario recordar que la pasteri!ación de la leche se lleva a cabo enun pasteri!ador de placas que trabaja en los dos cuerpos interiorescon intercambio de calor de la leche que ingresa al equipo y la quesale de $l. Wer más adelante en funcionamiento de pasteri!ador deplacas lección *2././8 sin contar las p$rdidas del sistema quegeneralmente son del * al *+J.

%i se toman p$rdidas del *+J9

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FL.HFL>F.L= >.FFF/>.FF>.LD D3&=G℃

"ntonces si la leche al precalentarse alcan!a una temperatura de+2,) el ahorro de energía será de9

"= FL.HFL>F.L

"=

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=eso de la leche < *.0:g4lt 7 +lt

=eso de la leche < +*+:g.

=rimer calentamiento de la leche9

"=m C.p :Τ 

"=FF>.LGD#L3

"=>>Iatts

N para el ajuste de temperatura9

"=m C.p :Τ 

"= FF>.LGD #>3

"=.FF

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)omo la torre de secado opera 1h en el día se tiene9

"=

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"=

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%e quieren pasteri!ar *+.lt4h de leche de 0.+JHG. )uyatemperatura inicial es de C,) y se llevará hasta D/,). =ara esto seutili!a un intercambiador de calor que tiene una ecacia del 1+J endonde los condensados salen a D+,). %e pregunta qu$ cantidad devapor seco del 2+J a una presión de *.*/6=a es necesaria para

efectuar el calentamiento]

7 )antidad de calor necesaria

"=m C.p :&3"=.LGDJ/Kg℃ H#D3℃

"= D

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usa como unidad de medida por el sistema imperial de medidas. "neste sistema la tonelada de refrigeración se dene como elenfriamiento que reali!a una tonelada de hielo cuando funde a ,)durante /C horas. "n el sistema internacional la unidad de medida esel 6iloVatt y se tiene que una 5*8 tonelada de refrigeración es igual a

0+*D6X.

"l banco de hielo puede operar de las siguientes formas9

*. &n uido refrigerante circula dentro de la tubería de ujo de aguaal reducir la temperatura se forma hielo en las paredes e'teriores delos tubos. &na ve! que se activa la bomba del agua para que estauya por la tubería se produce un choque t$rmico la temperaturacomparativamente más alta del agua que uye provoca elderretimiento del hielo formado en las paredes e'teriores lo que dacomo resultado el enfriamiento del agua.

/. "l agente refrigerante permanece estático y no se produce elderretimiento del hielo ni el proceso de enfriamiento hasta que elagua comien!a a circular por la tubería.

Los agentes refrigerantes más utili!ados son9

7Imoniaco9 "s el refrigerante por e'celencia es el menos costoso. %inembargo es un producto bastante peligroso que requiere de vigilanciapermanente.

7Mreón9 "s más costoso que el amoniaco pero tambi$n es menospeligroso que el amoniaco y el manejo no requiere de tanto cuidado.

7=ropilen Q glicol9 %e caracteri!a por tener un punto de fusión bajo yun punto de ebullición alto. "s bastante utili!ado cuando se van aenfriar alimentos que se encuentran en cámaras de refrigeración y seaplica directamente al alimento.

7%almueras9 %e utili!a una me!cla de agua y sal. "ste refrigerante seutili!a en la congelación de paletas de agua sin adición de leche y

crema.

"jemplo.

Ae tienen

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"=.LGD H#D3$J/$g)C

"=.H〖

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"l material más usado en el diseño de tuberías accesorios y bombasen la industria de alimentos es el acero ino'idable y en algunos casosaleaciones de metales especiales que utili!an el bronce estañado o elaluminio vidrio termo resistente y plástico.

T#*ería.

"n las tuberías lo importante es la determinación del caudal@ el cualdepende de la velocidad de corriente y el diámetro de la conducción yde esto depende que el movimiento de los líquidos en el interior de latubería sea laminar turbulento o inestable.

"l ujo laminar se da cuando las partículas del líquido se despla!anparalelamente a las paredes de conducción y su velocidad esrelativamente baja. "n el ujo turbulento los líquidos siguentrayectorias irregulares y se ocasiona una continua agitación y me!cladel líquido en el interior. "l tipo de circulación en el sentido de si esujo laminar o turbulento lo da el n\mero de ?eynolds 5?e8.

"l n\mero de ?eynolds se e'presa9

?e< 5^_L84` en donde

v< velocidad

_< densidad

L < longitud del objeto

` < viscosidad

%e tiene que sí el n\mero de ?eynolds es inferior a /* el ujo eslaminar y si los valores están entre /* y 0. el ujo es inestabley si es mayor a 0. es turbulento.

Accesorios.

Los accesorios son los que permiten unir tramos de tuberíamangueras para descarga de leche cerrar el paso o desviar lacorriente de los uidos etc. ?eempla!an las soldaduras las cuales seconvierten en foco de contaminación. (entro de los accesorios seencuentran las válvulas las cuales pueden ser manuales 5llaves8 yautomáticas.

Las válvulas manuales y automáticas que a su ve! pueden ser dellaves de paso de dos tres vías y reguladoras de cierre o alternantes.La utilidad de las válvulas en las fabricas de alimentos sirven para

regular la presión y el caudal. )errar el ujo en caso de una sobrevelocidad protección a sobre presiones prevención al retorno deuidos y para abrir y cerrar el paso de los uidos.

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%e tienen las pie!as roscadas y los codos que sirven de acople y deunión de tuberías y las pie!as en - las cuales se utili!an en lasdesviaciones de las tuberías. "n la siguiente imagen se observanalgunos de los accesorios como9 roscas abra!aderas f$rulas cortas ylargas pie!as en - 5llamadas -"" )LIH=8 tapones )LIH= y visores.

(o*as

La selección del tipo de bomba depende de la clase de líquido que sedesea impulsar y del rendimiento que se quiere obtener de ella. =arala leche se utili!an generalmente bombas centrifugas y volum$tricas.Las bombas en la industria de alimentos deben ser fácilmentedesmontables y con facilidad de reali!ar la limpie!a y desinfección dela misma.

"n la bomba centrifuga el producto llega al centro del rotor que gira auna velocidad de rotación alta. Las bombas centrifugas proporcionancaudal elevado y regular@ es fácilmente acoplable a un motor. %inembargo este tipo de bombas no son de arranque automático yrequiere de cebarlas 5colocarlas inicialmente con el líquido por debajodel nivel a bombear8. -ambi$n tienen la tendencia a incorporar a batirla leche lo que puede provocar incorporación de aire no deseado.

Las bombas volum$tricas se caracteri!an porque el volumen envariable dependiendo de la succión y e'pulsión del líquido. -ienenarranque automático desarrollan presiones elevadas y el rendimiento

es independiente a ujo.

CONCLUSIONES

A 4a termodin,mica estudia la cantidad de calor puesta en juegocuando el sistema pasa de un estado de equilibrio a otro.

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A Fo se ocupa del tiempo que transcurre ni de los estados de noequilibrio y la trans-erencia de calor estudia la velocidad detransferencia de calor entre dos sistemas.

A &na muy buena conclusión es la elaboración de la leche enpolvo requiere un proceso de pulveri!ación pasteuri!ación

atomi!ación homogeni!ación y evaporaciónA

FUENTES (I(LIO1RAFICAS

A "WKG&I?(. L-(I. Iccesorios para la industria de alimentos.(isponibleen9 http944VVV.6rones.com4doVnloads4"voGuards.pdf.)onsultado octubre. /**

A Muente9 "WKG&I?(. L-(I. Iccesorios para la industria dealimentos. (isponibleen9 http944VVV.6rones.com4doVnloads4"voGuards.pdf.)onsultado octubre. /**

A Merreino'idables e inversiones Ltda. (isponibleen9 http944VVV.ferreino'idables.com4productos4%cripts4default.asp. )onsultado octubre /**

A http944datateca.unad.edu.co4contenidos4/***04Hodulo!ip4leccin*conceptosdetermodinmicatransferenciadecalorytransferenciademasaaplicadosenlaindustrialctea.html

A

http://www.krones.com/downloads/EvoGuard_s.pdf.%20Consultado%20octubre.%202011http://www.krones.com/downloads/EvoGuard_s.pdf.%20Consultado%20octubre.%202011http://www.krones.com/downloads/EvoGuard_s.pdf.%20Consultado%20octubre.%202011http://www.krones.com/downloads/EvoGuard_s.pdf.%20Consultado%20octubre.%202011http://www.ferreinoxidables.com/productos/Scripts/default.asp.%20Consultado%20octubre%202011http://www.ferreinoxidables.com/productos/Scripts/default.asp.%20Consultado%20octubre%202011http://datateca.unad.edu.co/contenidos/211613/Modulo_zip/leccin_16_conceptos_de_termodinmica_transferencia_de_calor_y_transferencia_de_masa_aplicados_en_la_industria_lctea.htmlhttp://datateca.unad.edu.co/contenidos/211613/Modulo_zip/leccin_16_conceptos_de_termodinmica_transferencia_de_calor_y_transferencia_de_masa_aplicados_en_la_industria_lctea.htmlhttp://datateca.unad.edu.co/contenidos/211613/Modulo_zip/leccin_16_conceptos_de_termodinmica_transferencia_de_calor_y_transferencia_de_masa_aplicados_en_la_industria_lctea.htmlhttp://www.krones.com/downloads/EvoGuard_s.pdf.%20Consultado%20octubre.%202011http://www.krones.com/downloads/EvoGuard_s.pdf.%20Consultado%20octubre.%202011http://www.ferreinoxidables.com/productos/Scripts/default.asp.%20Consultado%20octubre%202011http://www.ferreinoxidables.com/productos/Scripts/default.asp.%20Consultado%20octubre%202011http://datateca.unad.edu.co/contenidos/211613/Modulo_zip/leccin_16_conceptos_de_termodinmica_transferencia_de_calor_y_transferencia_de_masa_aplicados_en_la_industria_lctea.htmlhttp://datateca.unad.edu.co/contenidos/211613/Modulo_zip/leccin_16_conceptos_de_termodinmica_transferencia_de_calor_y_transferencia_de_masa_aplicados_en_la_industria_lctea.htmlhttp://datateca.unad.edu.co/contenidos/211613/Modulo_zip/leccin_16_conceptos_de_termodinmica_transferencia_de_calor_y_transferencia_de_masa_aplicados_en_la_industria_lctea.htmlhttp://www.krones.com/downloads/EvoGuard_s.pdf.%20Consultado%20octubre.%202011http://www.krones.com/downloads/EvoGuard_s.pdf.%20Consultado%20octubre.%202011