Objetivos: Aprender acerca de los fundamentos de los procesos térmicos

1. ACTIVIDAD 7. RECONOCIMIENTO DE LA UNIDAD DOS. PROCESOS TERMICOS. • Objetivos: • Aprender acerca de los fundamentos de los procesos térmicos • Apropiar los términos y conceptos fundamentales de los procesos térmicos. • Reconocer e identificar y aplicar los modelos analíticos utilizados para cuantificar la transferencia de calor en los procesos térmicos

2. Descripción y Temáticas a revisar en la actividad • • Descripción de la actividad: • La actividad consiste de una lectura acerca de procesos térmicos; donde se encuentra los fundamentos y se muestran la aplicación a la ingeniería. • • Temáticas a revisar: • Aplicaciones de transferencia de calor en procesos térmicos.

3. Bibliografía • FONSECA, V. Transmisión de Calor. Universidad Abierta y a Distancia, UNAD. Bogotá. 2008. p 250. • MILLS, R. Transferencia de Calor . Los Angeles: Prentice- hall. 1999. p 932. • PITTS, D y SISMON, L. Teoría y Problemas de Transferencia de Calor. Tennessee, USA. Mc Graw Hill. 1980. p 295. • WELTY, J. Transferencia Aplicada a la ingeniaría. Oregon, Usa. Limusa.1978. p 546. • www.itescam.edu.mx/principal/sylabus

4. Procesos térmicos en alimentos El hombre aprendió al pasar de los siglos, empíricamente a explotar las temperaturas extremas para la conservación de sus alimentos. Así vio que enfriándolos se retrasaba su alteración; que la congelación los conservaba durante largos períodos de tiempo; que el calentamiento eliminaba los agentes de la alteración de origen microbiano y que, si se evitaba la recontaminación mediante un envasado adecuado, los alimentos térmicamente tratados podían conservarse incluso a la temperatura ambiente. También, conoció que algunos alimentos, mantenidos a temperatura ambiente, modifican sus propiedades organolépticas, pero siguen siendo aptos para el consumo y se vuelven más estables. Así fue desarrollando una amplia variedad de alimentos fermentados, muchos de ellos originalmente asociados a los alimentos frescos disponibles en la región y a una determinada raza o tradición. Actualmente se consumen cientos de productos fermentados que siguen siendo esencialmente idénticos a los que se consumían hace varias generaciones pese a que muchos de ellos fueron favorecidos por la aplicación de los avances científicos y técnicos. Las fermentaciones utilizadas generalmente son las lácticas y las alcohólicas, o una combinación de ambas. Si el alimento original contiene un azúcar fermentable y se encuentra poco salado es probable que se produzca una fermentación láctica. Si su sabor es ácido, lo esperable es una fermentación alcohólica. En cualquier caso, para conseguir las características deseadas en el producto fermentado, resulta esencial el control de la temperatura.

5. El calor en los alimentos La aplicación del calor en los alimentos tiene varios objetivos. - Convertir a los alimentos en digestibles, hacerlos apetitosos y mantenerlos a una temperatura agradable para comerlos. - Destruir agentes biológicos para obtener productos más sanos y duraderos  - Impedir el crecimiento de los microorganismos aplicando temperaturas adecuadas para su destrucción o manteniéndolos a temperaturas algo por encima de las que permiten el desarrollo microbiano - Facilitar la existencia de productos sanos de larga vida comercial Los tratamientos térmicos persiguen destruir agentes biológicos, como bacterias, virus y parásitos con la finalidad de obtener productos más sanos; conseguir productos que tengan una vida comercial más larga, debido fundamentalmente a la eliminación o reducción de los microorganismos causantes de la alteración de los alimentos; y disminuir la actividad de otros factores que afectan a la calidad de los alimentos, como determinadas enzimas (por ejemplo, las que producen el oscurecimiento de los vegetales cuando éstos son cortados).

6. El calor en los alimentos El tratamiento térmico que precisa cada alimento depende de la naturaleza de cada producto. Algunos sólo permiten ciertas temperaturas pues, de otro modo, provoca cambios en su aspecto y su sabor. En otros, sin embargo, las altas temperaturas no producen alteraciones. De cualquier forma, cuanto mayor es el tratamiento térmico, mayor número de gérmenes se destruyen, ya que al someter a los microorganismos a una temperatura superior a la que crecen, se consigue la coagulación de las proteínas y la inactivación de las enzimas necesarias para su normal metabolismo, lo que provoca su muerte o lesiones subletales. Por tanto, las temperaturas altas aplicadas en los alimentos actúan impidiendo la multiplicación de los microorganismos, causando la muerte de las formas vegetativas de éstos o destruyendo las esporas formadas por ciertos microorganismos como mecanismo de defensa frente a agresiones externas. Cuanto mayor sea la cantidad de microorganismos que se encuentren en el alimento, más tiempo se tardará en reducir el número de supervivientes a un valor determinado. Por eso, el sistema de preparación de cada producto precisa de diferentes combinaciones de tiempo y temperatura. Probablemente la temperatura es el más importante de los factores ambientales que afectan a la viabilidad y el desarrollo microbianos. Aunque el crecimiento microbiano es posible entre alrededor de -8 y hasta +90°C, el rango de temperatura que permite el desarrollo de un determinado microorganismo rara vez supera los 35°C. Cualquier temperatura superior a la máxima de crecimiento de un determinado microorganismo resulta fatal para el mismo, y cuanto más elevada es la temperatura en cuestión tanto más rápida es la pérdida de viabilidad. Sin embargo, la letalidad de cualquier exposición a una determinada temperatura por encima de la máxima de crecimiento depende de la termorresistencia que es una característica fundamental del microorganismo considerado.

7. ESTERILIZACION DEFINICION La esterilización es un proceso físico en el cual 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 para esterilizar los alimentos, 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 60°C 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.

8. 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 60°C 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 10°C, 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 100 °C. Hoy es muy usual, para grandes volúmenes la ultrapasterización de leches, en un proceso que se lleva a cabo durante 3 segundos a 121°C 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. En la figura 1 se aprecia la instalación para una pasterización de Cerveza. 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.

9. Figura 1. Pasterizador de cerveza

10. EJEMPLO DE APLICACIÓN En la pasterización de cerveza, se ha establecido que las botellas de vidrio requieren 45 minutos para su calentamiento y enfriamiento con pasterización de 15 minutos. Una línea de envase produce 12.000 botellas por hora y cada botella tiene un diámetro de 6.5 cm. Determine las áreas del piso del túnel que se deben destinar a las zonas de calentamiento, pasterización y enfriamiento y posibles dimensiones del túnel. Determinar la tasa de transferencia de calor y temperatura de las dos superficies. Solución: Como el proceso total de pasterización emplea 45 minutos, el número de botellas que debe contener el túnel será: n = (12000 x 45 ) / 60 = 9000 botellas Una forma sencilla de calcular el área total requerida, es tomar las bases de las botellas como cuadrados, teniendo el diámetro como lado Área equivalente botella = 6.52 = 42.25 cm2 Área total = (9000 x 42.25) / 1002 = 38 m2 Las dimensiones aproximadas tomando ancho 3.0 metros dará de lo largo 38/3.0 = 12.7 metros. Como el proceso de pasterización demora 15 minutos es de esperar que el calentamiento y enfriamiento demoren 15 minutos y cada área será de 38/3 = 12.7 m2. En la práctica la cerveza entra a la pasterizadora a 0°C y sale del equipo entre 30 y 38 °C, luego los tiempos de calentamiento y enfriamiento son diferentes y , por consiguiente, las áreas también lo serán. Podría esperarse hacer un calentamiento más rápido, pero el limitante es la resistencia del envase al choque térmico que causa la rotura del mismo.

11. REFRIGERACION 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 físicoquímicas 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 conservación 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 intercambiadores 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.

12. 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 como los mostrados en la figura 2. 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.

13. Figura 2. Ciclo por compresión de Vapor

14. REFRIGERACION POR VACIO • Figura 3. Refrigeración por vacio Se emplea como fluido refrigerante agua líquida, lo que limita la temperatura baja a valores siempre por encima de los 0°C. 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, En algunos sistemas la expansión del gas comprimido tiene lugar directamente en el equipo de transferencia de calor. La figura 3 nos representa un ciclo de este tipo.

15. REFRIGERACION POR ABSORCION • 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. Un esquema de este ciclo se representa en la figura 4. • Figura 4. Refrigeración por vacío y absorción

16. Ejemplo de Aplicación • 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. • SOLUCION: 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/hr • 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/hr • Luego 99.840 / 12000 entonces las Toneladas de frío son 8.3 • 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.