Transmisión de calor 2012

Transmisión de Calor

(Frío – Calor)

Objetivos de su utilización • Otorgar determinadas propiedades

•organolépticas,

•sanitarias,

•nutricionales.

• Modificar características de conservación.

• Modificar propiedades del producto durante su procesamiento

• Implica el uso controlado de la variación de la temperatura para

producir determinados efectos o modificar las velocidades a las

que se producen fenómenos:

•Físicos (modificación de viscosidad, calentamiento o

enfriamiento, congelación, secado).

•Físico químicos (deshidratación de geles, floculaciones).

•Químicos (generación de colores, aromas, sabores, texturas).

•Biológicos (inactivación de enzimas, eliminación de

microorganismos).

Para lograr determinado efecto:

• ¿Qué temperatura se requiere?

• ¿Cuánto tiempo se tarda en alcanzar la

temperatura requerida?

• ¿Cuánto tiempo se la debe sostener?

• ¿Qué cantidad de energía (combustible = $)

se requiere para lograr el efecto térmico?

• ¿Qué eficiencia térmica tiene el proceso?

• ¿Qué equipo puedo usar?

Formas de transmisión de calor

• Conducción.

• Convección.

• Radiación.

¿características de cada una? ¿cuándo se produce cada una de ellas?

¿ejemplos comunes de su uso en el procesamiento de alimentos?

¿útil para enfriar, calentar?

Particularidades a considerar en el flujo térmico en alimentos

• Sistemas no homogéneos en composición y características

• Pocas veces tienen una forma geométrica regular

• Habitualmente cambian sus propiedades al modificarse la

temperatura

• Los fenómenos físicos, físicoquímicos, químicos y biológicos

se producen simultáneamente

Leyes o expresiones que modelizan los procesos

de transferencia de calor

La cantidad de calor absorbida o

cedida puede utilizarse para producir

cambios o

mantenimiento

de temperatura

cambios de

fase o de

estado (T = cte)

Q = m.c.ΔT Q =λ.m


de transferencia de calor

El intercambio de calor puede

producirse

con temperaturas constantes

en el tiempo para cada punto

del sistema, aunque estas

sean diferentes

con temperaturas

que varían en el

tiempo

sistema estacionario sistema transiente


de transferencia de calor Transferencia de calor en estado estacionario (T cte)

Transmisión de calor por conducción

Ley de Fourier

q = U.A.ΔT

U = 1 / (e/k)


de transferencia de calor Transferencia de calor en estado estacionario (ΔT cte)

Transmisión de calor por convección

q = h . A . ΔT

natural

forzada

Nusselt (Nu) = h.D / k

Se la describe y caracteriza por medio de

los siguientes números adimensionales

Prandtl (Pr) = c.µ / k

Grashoft (Gr) = D3.ρ2.g.β.ΔT / µ2

Nu = K(Pr)k.(Gr)m.(L/D)n



Transmisión de calor por convección: q = h . A . ΔT

Convección Figura Pr . Gr Nu

Natural Cilindro o placa

vertical

104 a 109

109 a 1012

0,53.(Pr.Gr)0,25

0,12.(Pr.Gr)0,33

Cilindro o placa

horizontal

103 a 109

0,53.(Pr.Gr)0,25

Convección Figura Re Nu

Forzada Placa > 20.000 0,036.Re0,8.Pr0,33

Líquidos en

exterior de tubos

1 a 200 0,86. Re0,43.Pr0,3

Determinación de h para convección natural



Transmisión combinada: U = 1 / (1/hint + (e/k) + 1/hext)


de transferencia de calor Transferencia de calor en estado NO estacionario (ΔT NO cte)

Las temperaturas varían en el tiempo, siendo en los

diferentes puntos que componen el cuerpo

iguales diferentes

cambio

homogéneo

cambio

heterogéneo Se predice a través del nº de Biot (Bi)

Bi = h.Lc

k Lc =

V

A transferencia



Cambio homogéneo

Sistemas con:

•Bi < 0,1 – 0,2

•agitación

= T2 – Ta

T1 – Ta e

- hs . A

cp .ρ.V . t

hs = coeficiente de transferencia de

superficie

T1 = Temperatura inicial del cuerpo

T2 = Temperatura final del cuerpo

Ta= Temperatura externa

c = calor específico del cuerpo

A = superficie del cuerpo

V = volumen del cuerpo



Cambio heterogéneo

Sistemas con: Bi > 0,1 – 0,2

Nº de Fourier (relación entre la velocidad de la conducción de calor y la

velocidad del almacenamiento de energía)

k

cp .ρ α =

k

cp .ρ.L2 . t Fo =

Métodos de generación de energía Principales fuentes de energía

Clasificación según su origen:

•Combustibles

• sólidos (carbón, madera),

• líquidos (derivados del petróleo, aceites vegetales y sus

derivados, alcoholes),

• gaseosos (gases del petróleo, biogas);

• Energía eléctrica (generación térmica, hidráulica, nuclear, etc.).

• Clasificación según sea energía renovable o no renovable.

Métodos de transferencia del calor • Transferencia indirecta: los elementos que intercambian energía

no están en contacto directo, sino a través de un transmisor.

•Fluidos: vapores o gases, líquidos (agua, aceites).

• El agua tiene excelentes

características, sea líquida o

vapor saturado, no así el

aire.

• El aire generalmente se

utiliza en hornos de

panificación y en secaderos,

transfiriendo tanto calor

como humedad • Sólidos calefaccionados (paredes calefaccionadas por

alguno de los fluidos anteriores o resistencias eléctricas

envainadas) llegan a 800 ºC

Métodos de transferencia del calor • Transferencia directa: no se utiliza un transportador de calor

extra. Se utiliza en secaderos, hornos, tostadores, etc., y se

realiza mediante

•contacto directo con los productos de la combustión, tal

como en el caso de los hornos,

•energía infrarroja, radiadores con filamentos a temperatura

media (500 - 1000 ºC) o alta (2500 ºC) emiten radiación de λ

entre 0,75 y 350 μm a absorber por el material. Las

importantes están entre 1 y 50 μm (I = Io.e-ax)

•eléctricamente (exponiendo el alimento a ondas de radio, las

frecuencias disponibles se limitan para evitar interferencias)

•dieléctricos, frecuencias menores a 300 MHz (27 MHz),

•por microondas, frecuencias sobre 300 MHz (897 y 2450

MHz).

Tratamientos térmicos 1. Escaldado: calentamiento rápido del alimento hasta cierta a

temperatura y breve mantenimiento, con posterior enfriamiento.

Objetivos:

• Inactivación de enzimas (se sigue con desaparición de

peroxidasa y catalasa)

• Limpiar materia prima

• Reducir carga microbiana

• Expulsar gases (en el envasado reduce corrosión y facilita

creación de vacío en el espacio de cabeza)

• Ablanda y contrae los alimentos (en el envasado facilita el

llenado)

• Mejora la textura, especialmente en deshidratados.

Métodos:

• Inmersión en agua caliente • Tratamiento con vapor

• Tratamiento con aire caliente • Tratamiento con microondas

Tratamientos térmicos Métodos de escaldado.

El alimento atraviesa el sector con las condiciones prefijadas a

velocidad controlada (longitud vs tiempo de residencia)

Escaldado por inmersión en agua caliente:

•tambor perforado que gira en agua caliente

•tubería con serpentines, previa suspensión en agua

Escaldado con vapor:

•cinta de malla o tornillo helicoidal dentro de cámara de vapor

Problemas e inconvenientes:

•Pérdida de materia seca

•Disminución de las vitaminas

•Necesidad de agua con características definidas

•Posible contaminación con flora termófila

•Generación de efluentes contaminantes

•Dificultad en asegurar un tratamiento térmico uniforme.

•Alteraciones del color

Tratamientos térmicos 2. Horneado: se agrupan bajo este título a aquellas operaciones

de calentamiento que no se incluyen en otras específicas y se

desarrollan en hornos.

• Métodos de calentamiento de los hornos

• “indirecto”, por medio de radiación procedente de

resistencias o desde las paredes calientes

• directo, combinación de radiación y convección natural o

forzada de una mezcla de gases de combustión y aire,

adicionada algunas veces con otros gases como el vapor

de agua.

• Clases de diseño de hornos

• discontinuos, con bandejas removibles,

• continuos, rotatorios horizontal o verticalmente, de raíl, de

túnel.

Tratamientos térmicos 3. Cocción por extrusión: se extruye una pasta para mezclar y

conformar el alimento y simultáneamente se le aplica calor de

forma controlada.

• Se alcanzan presiones de 60 atm y temperaturas de 200 ºC

• El calentamiento de la pasta se produce por:

• Compresión, fuerzas de cizalla y fricción en el interior del

cilindro extrusor,

• Transmisión por conducción desde resistencias eléctricas o

de fluidos en una camisa del cilindro,

• Inyección de vapor en el interior del cilindro.

• Se produce deshidratación, cizallamiento, homogeinización,

solubilización, plastificación, inactivación enzimática y

microbiana, orientación de componentes, moldeado, expansión

y secado.

Destrucción térmica de microorganismos

Cinética de choque único


Cinética de choque múltiple


Influencia de la temperatura sobre la velocidad de destrucción térmica


Parámetros usualmente encontrados (dependen del tamaño

inicial de la población y condiciones del tratamiento, no son

particularmente útiles)

tiempo térmico letal o de destrucción térmica F: tiempo

necesario para destruir los microorganismos a una temperatura

determinada y bajo condiciones específicas;

coeficiente de letalidad (1/F): inversa del tiempo requerido para

destruir cierto número de microorganismos a una temperatura

definida y bajo condiciones específicas;

punto térmico letal: la temperatura más baja que se necesita

para matar a los organismos en 10 minutos.


Los parámetros generales más útiles son:

índice de reducción o valor g (también m): logaritmo decimal del

número de veces que se redujo una población bacteriana

(equivale a reducir una población de 10g microorganismos hasta

1 microorganismo).

tiempo de reducción decimal o valor D: tiempo (en minutos y a

una temperatura determinada) que se requiere para reducir la

población viable al 10% de su valor.

constante de resistencia termal o valor z: diferencia en

temperaturas necesaria para causar una reducción de un 90% en

el valor D (modificar el valor D por un factor de 10).


Influencia de la temperatura sobre la velocidad de destrucción térmica


Determinación de la intensidad requerida para esterilización


Determinación de la intensidad requerida para esterilización Ejemplo de un proceso con F = 4 minutos durante un tiempo de 3 minutos


Determinación de la intensidad de la esterilización

Influencia del calentamiento en la calidad del producto

El deterioro depende de:

- tiempo del proceso

- temperatura del proceso

- composición y

propiedades del alimento

mínimo deterioro posible de

las propiedades nutritivas y

sensoriales del alimento

esterilidad

comercial vs

log F

T

Zona de

destrucción

Zona de

mantenimiento


log F

T

Cl. botulinum: Z = 10 ºC

Z = 10 ºC

Esterilidad Com

Sí Est Com,

Sí Det Vit

No Est Com

Sí Det Vit

No Est Com

No Det Vit

Sí Est Com, No Det Vit

Z = 25 ºC

Deterioro Vit

Vit. B1: Z = 25 ºC

Cambios producidos en la calidad sensorial:

Textura

Lesión de membranas celulares Pérdida de consistencia

Desnaturalización de proteínas Solidez, gelificación

Gelificación del almidón Gelificación

Color

Degradación de pigmentos y vitaminas Decoloración

Reacciones de Maillard Oscurecimiento

Aroma

Pérdida de compuestos volátiles Pérdida de aroma

Formación de aromas desagradables

Maillard, pirazinas Olor a quemado (o tostado)

Oxidación Olor a rancio


Equipo de intercambiador de placas

Equipo de intercambiador de placas

1) cambiador-regenerador de calor

2) cambiador-pasteurizador

3) cambiador-refrigerador

Diagrama de flujo del proceso UHT directo por inyección

(uperización)

a envasado

aséptico

Precalentamiento

75-80 ºC

Vapor

10% Cámara

expansión

Inyección

150 ºC

dilución 10%

válvula de desvío

a

envasado

aséptico

Diagrama de flujo del proceso UHT indirecto

UHT directo

Curso térmico del proceso UHT

En los sistemas de flujo continuo

el tiempo de tratamiento viene

determinado por la longitud de la

sección de mantenimiento.

UHT indirecto

Autoclave simple

Autoclave con

pulverización de agua

Esterilizador hidrostático continuo

Sistema abierto donde

puede utilizarse vapor

a presión superior a la

atmosférica

equilibrándolo con

presión hidrostática

Esterilizador rotatorio continuo de espiral y tambor

Congelamiento

Tiempo de congelación: tiempo transcurrido entre el momento en que la

superficie del producto alcanza los 0º y el instante en que el punto crítico

alcanza los -10º por debajo del inicio de la formación de hielo en ese punto.

Punto de congelación: temperatura

más elevada a la cual los cristales de

hielo son estables.

Congelamiento Evolución de la temperatura en el centro térmico de un alimento

Congelamiento Densidad de un alimento en función de la temperatura

Congelamiento Conductividad térmica de un alimento en función de la temperatura

Congelamiento Entalpía de un alimento en función de la temperatura

Congelamiento Calor específico aparente de un alimento en función de temperatura

Congelamiento de un líquido y de una solución

Congelamiento

Estabilidad de una solución en función de su concentración

y temperatura

Congelamiento

Crecimiento y nucleación de cristales

Congelamiento

Velocidad de nucleación

Congelamiento

Ecuación de Planck

Congelamiento h = Coeficiente de transferencia de

calor superficial

kc= Conductividad térmica del

material congelado

a = Espesor de la placa a congelar

t = Tiempo de congelación

l = Calor latente de fusión del

material

r = Densidad

Ti -Ta = Diferencia entre

temperatura de congelación del

alimento y del refrigerante

P =1/2 para placa infinita, 1/6 para

una esfera, 1/4 para un cilindro

infinito

R = 1/8 para placa infinita, 1/24

para esfera, 1/16 para cilindro

infinito.

Congelamiento

Para P y R en

geometrías

tipo ladrillo o

de bloque

Ecuación de Planck

Equipos para congelamiento

1. Continuos de transportador:

el producto pasa por una

cámara de congelación y puede

tener trayectoria en espiral.

Congeladores por Ráfaga de Aire

Los productos se colocan en

bandejas o sistemas de transporte y

exponen a aire frío de alta velocidad.

2. Por lotes: las bandejas

se cargan y descargan

de un compartimiento de

congelación. La

capacidad del sistema

se establece por el

tamaño del

compartimiento y el

tiempo de congelación.

Congeladores en lecho fluido

Hay límites para el tamaño

(densidad) del producto a congelar

por la demanda de energía para

generar las velocidades del aire

necesarias para la fluidización


Congeladores de placas

Enfrían por conducción. El producto, en general de geometría plana y de no

más de 5 cm, se coloca entre placas refrigeradas a las que se presiona

hidráulicamente


Congeladores criogénicos: Los fluidos utilizados son el N2 o el CO2 líquidos.

• Nitrógeno: los sistemas más modernos preenfrían el producto con el

gaseoso de la etapa siguiente, y en la sección final del equipo, realizan la

inyección del spray. Los más utilizados son los equipos de cinta continua.

• Dióxido de carbono: se puede utilizar sólido, pero es difícil el contacto

uniforme con el alimento. Lo usual es como líquido que se descarga a

presión atmosférica, se solidifica y cae como nieve. En general se utiliza a

una temperatura de - 68 ºC, para asegurar que el gas no arrastrará nieve.


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