Objetivos: Aprender acerca de los fundamentos de los procesos térmicos

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ACTIVIDAD 7. RECONOCIMIENTO DE LA UNIDAD DOS. PROCESOS TERMICOS. Objetivos: Aprender acerca de los fundamentos de los procesos trmicos Apropiar los trminos y conceptos fundamentales de los procesos trmicos. - PowerPoint PPT Presentation

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Diapositiva 1Objetivos:Aprender acerca de los fundamentos de los procesos trmicosApropiar los trminos y conceptos fundamentales de los procesos trmicos.Reconocer e identificar y aplicar los modelos analticos utilizados para cuantificar la transferencia de calor en los procesos trmicos ACTIVIDAD 7.RECONOCIMIENTO DE LA UNIDAD DOS.PROCESOS TERMICOS.1 Descripcin de la actividad:La actividad consiste de una lectura acerca de procesos trmicos; donde se encuentra los fundamentos y se muestran la aplicacin a la ingeniera. Temticas a revisar:Aplicaciones de transferencia de calor en procesos trmicos.Descripcin y Temticas a revisar en la actividad2FONSECA, V. Transmisin de Calor. Universidad Abierta y a Distancia, UNAD. Bogot. 2008. p 250.MILLS, R. Transferencia de Calor . Los Angeles: Prentice- hall. 1999. p 932. PITTS, D y SISMON, L. Teora y Problemas de Transferencia de Calor. Tennessee, USA. Mc Graw Hill. 1980. p 295.WELTY, J. Transferencia Aplicada a la ingeniara. Oregon, Usa. Limusa.1978. p 546. www.itescam.edu.mx/principal/sylabusBibliografa 3El hombre aprendi al pasar de los siglos, empricamente a explotar las temperaturas extremas para la conservacin de sus alimentos. As vio que enfrindolos se retrasaba su alteracin; que la congelacin los conservaba durante largos perodos de tiempo; que el calentamiento eliminaba los agentes de la alteracin de origen microbiano y que, si se evitaba la recontaminacin mediante un envasado adecuado, los alimentos trmicamente tratados podan conservarse incluso a la temperatura ambiente. Tambin, conoci que algunos alimentos, mantenidos a temperatura ambiente, modifican sus propiedades organolpticas, pero siguen siendo aptos para el consumo y se vuelven ms estables. As fue desarrollando una amplia variedad de alimentos fermentados, muchos de ellos originalmente asociados a los alimentos frescos disponibles en la regin y a una determinada raza o tradicin. Actualmente se consumen cientos de productos fermentados que siguen siendo esencialmente idnticos a los que se consuman hace varias generaciones pese a que muchos de ellos fueron favorecidos por la aplicacin de los avances cientficos y tcnicos. Las fermentaciones utilizadas generalmente son las lcticas y las alcohlicas, o una combinacin de ambas. Si el alimento original contiene un azcar fermentable y se encuentra poco salado es probable que se produzca una fermentacin lctica. Si su sabor es cido, lo esperable es una fermentacin alcohlica. En cualquier caso, para conseguir las caractersticas deseadas en el producto fermentado, resulta esencial el control de la temperatura. Procesos trmicos en alimentos4El calor en los alimentosLa aplicacin 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 biolgicos para obtener productos ms sanos y duraderos- Impedir el crecimiento de los microorganismos aplicando temperaturas adecuadas para su destruccin o mantenindolos a temperaturas algo por encima de las que permiten el desarrollo microbiano- Facilitar la existencia de productos sanos de larga vida comercialLos tratamientos trmicos persiguen destruir agentes biolgicos, como bacterias, virus y parsitos con la finalidad de obtener productos ms sanos; conseguir productos que tengan una vida comercial ms larga, debido fundamentalmente a la eliminacin o reduccin de los microorganismos causantes de la alteracin 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 stos son cortados). El calor en los alimentosEl tratamiento trmico que precisa cada alimento depende de la naturaleza de cada producto. Algunos slo 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 trmico, mayor nmero de grmenes se destruyen, ya que al someter a los microorganismos a una temperatura superior a la que crecen, se consigue la coagulacin de las protenas y la inactivacin 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 actan impidiendo la multiplicacin de los microorganismos, causando la muerte de las formas vegetativas de stos 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, ms tiempo se tardar en reducir el nmero de supervivientes a un valor determinado. Por eso, el sistema de preparacin de cada producto precisa de diferentes combinaciones de tiempo y temperatura. Probablemente la temperatura es el ms 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 +90C, el rango de temperatura que permite el desarrollo de un determinado microorganismo rara vez supera los 35C. Cualquier temperatura superior a la mxima de crecimiento de un determinado microorganismo resulta fatal para el mismo, y cuanto ms elevada es la temperatura en cuestin tanto ms rpida es la prdida de viabilidad. Sin embargo, la letalidad de cualquier exposicin a una determinada temperatura por encima de la mxima de crecimiento depende de la termorresistencia que es una caracterstica fundamental del microorganismo considerado. ESTERILIZACIONDEFINICIONLa esterilizacin es un proceso fsico 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 fisicoqumicas durante mucho tiempo. Uno de los medios fsicos ms importantes empleados para esterilizar los alimentos, es el calor aplicadodirecta o indirectamente al producto en s mismo o en un empaque en el que haya sido envasado previamente.Si bien no existe una clara diferenciacin entre los procesos de esterilizacin , por tratamiento trmico, se suele llamar pasterizacin al proceso que se lleva a cabo a temperaturas inferiores a 100 grados centgrados, en tanto que la esterilizacin se lleva a cabo por encima de los 100 grados centgrados.La esterilizacin llevada a cabo a bajas temperaturas est basada en los estudios que hizo el cientfico francs Pasteur sobre contaminaciones bacteriales en vinos y cervezas una vez se envasaban estos producto. En honor a l se bautiz el proceso inicial de esterilizacin por calor y la llamada unidad de pasterizacin, que establece una relacin tiempo-temperatura a la cual se ha definido como la permanencia de un producto durante un minuto a 60C Cada producto para lograr una adecuada esterilizacin requiere de un nmero de unidades de pasterizacin, 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 pasterizacin permiten darle estabilidad biolgica al producto. En trminos prcticos se debe llevar el producto a 60C mantenerlos a esta temperatura durante 15 minutos. A ms altas temperaturas se requiere menos tiempos Existe lo que se llama pasterizacin instantnea o ultrapasterizacin en la cual se emplean temperaturas superiores a 10C, pero en tiempo de residencia o de contacto trmico de pocos segundos. Igualmente se tiene esterilizaciones por ebullicin, en productos que hierven por debajo de los 100 C.Hoy es muy usual, para grandes volmenes la ultrapasterizacin de leches, en un proceso que se lleva a cabo durante 3 segundos a 121C Ajustndonos a la clasificacin mencionada, la pasterizacin 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 instalacin para una pasterizacin de Cerveza.La pasterizacin indirecta se utiliza para los elementos envasados, en equipos que genricamente se denominan esterilizadores. Un equipo especfico de pasterizacin indirecta es el pasterizador de tnel, que permite un flujo continuo de los envasados. A medida que los recipientes avanzan en el tnel, duchas de agua caliente o vapor elevan progresivamente la temperatura del producto, hasta que llega a la pasterizacin acorde con las unidades de pasterizacin que requiere el producto; ste se mantiene durante el tiempo necesario a su temperatura de pasterizacin, para que luego, mediante duchas de agua fra, el producto se enfre lentamente.Figura 1. Pasterizador de cervezaEJEMPLO DE APLICACINEn la pasterizacin de cerveza, se ha establecido que las botellas de vidrio requieren 45 minutos para su calentamiento y enfriamiento con pasterizacin de 15 minutos. Una lnea de envase produce 12.000 botellas por hora y cada botella tiene un dimetro de 6.5 cm. Determine las reas del piso del tnel que se deben destinar a las zonas de calentamiento, pasterizacin y enfriamiento y posibles dimensiones del tnel. Determinar la tasa de transferencia de calor y temperatura de las dos superficies.Solucin: Como el proceso total de pasterizacin emplea 45 minutos, elnmero de botellas que debe contener el tnel ser:n = (12000 x 45 ) / 60 = 9000 botellasUna forma sencilla de calcular el rea total requerida, es tomar las bases delas botellas como cuadrados, teniendo el dimetro como ladorea equivalente botella = 6.52 = 42.25 cm2rea total = (9000 x 42.25) / 1002 = 38 m2Las dimensiones aproximadas tomando ancho 3.0 metros dar de lo largo 38/3.0 = 12.7 metros. Como el proceso de pasterizacin demora 15 minutos es de esperar que el calentamiento y enfriamiento demoren 15 minutos y cada rea ser de 38/3 = 12.7 m2. En la prctica la cerveza entra a la pasterizadora a 0C y sale del equipo entre 30 y 38 C, luego los tiempos de calentamiento y enfriamiento son diferentes y , por consiguiente, las reas tambin lo sern. Podra esperarse hacer un calentamiento ms rpido, pero el limitante es la resistencia del envase al choque trmico que causa la rotura del mismo. 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 fsicoqumicas y se requiere llevar la temperatura a un nivel adecuado, para un fcil manejo y almacenamiento, otras sustancias en especial alimentos requieren de temperaturas bajas para su conservacin y almacenaje y algunos procesos requieren de temperaturas bajas para su desarrollo.Cuando se tiene una disminucin 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 refrigeracin.Los mecanismos de transferencia de calor en las dos operaciones son muy diferentes y aunque se ha generalizado la aplicacin del trmino refrigeracin al enfriamiento de slidos o de espacios amplios es importante tener presente que los fines son muy diversos.El enfriamiento de gases y lquidos se lleva a cabo adecuadamente en los intercambiadores de calor ya estudiados, empleando como medio de enfriamiento lquidos o gases a muy bajas temperaturas. Estos fluidos tienen propiedades termodinmicas especiales, como bajos puntos de congelacin y de evaporacin e igualmente de volmenes especficos y altos valores latentes. De los lquidos o fluidos enfriadores, tambin 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 hermticos. REFRIGERACIONmanejo y el empleo de equipo con sellos o cierres hermticos. El fren 12 (dicloro difluormetano) presenta como inconveniente un calor latente de evaporacin de 38 kcal kg, lo que lleva a emplear volmenes relativamente altos y limita su uso para grandes instalaciones. La obtencin de los refrigerantes fros para su empleo en enfriamiento, seefecta en ciclos termodinmicos que prcticamente 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 fra, o en radiadores utilizando aire fro; acorde con las caractersticas del refrigerante en esta etapa puede licuarse y ser almacenado. Para el enfriamiento, el fluido se hace pasar a travs de una vlvula de expansin que permite bajar la presin del fluido disminuyendo considerablemente su temperatura, si el fluido est lquido, en esta etapa se gasifica o vaporiza. A continuacin o se almacena el gas o es succionado por el compresor para iniciar de nuevo el ciclo.Figura 2. Ciclo por compresin de VaporREFRIGERACION POR VACIO Figura 3. Refrigeracin por vacio Se emplea como fluido refrigerante agua lquida, lo que limita la temperatura baja a valores siempre por encima de los 0C. En un recipiente que contenga agua, se hace vaco empleando generalmente un eyector de vapor. Al bajar la presin en el recipiente parte del agua se evapora rpidamente, causando enfriamiento de la masa de lquido hasta una temperatura cercana a su punto de congelacin. Este es un ejemplo clsico del enfriamiento evaporativo o por evaporacin. El agua a baja presin y baja temperatura, puede emplearse como lquido 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 expansin del gas comprimido tiene lugar directamente en el equipo de transferencia de calor. La figura 3 nos representa un ciclo de este tipo.REFRIGERACION POR ABSORCIONEste ciclo emplea dos fluidos: uno principal, el de trabajo y otro el auxiliar, de absorcin. El requisito para seleccionar los fluidos generalmente lquidos es que la entalpa de su solucin sea inferior a la de cada uno de los lquidos. Uno de los sistemas ms empleados es el de amoniaco y agua. El amoniaco se absorbe en agita (disolucin de gas en lquido) a baja presin, dado que la entalpa de la solucin es menor que la del agua y que la del amoniaco, se debe extraer calor para efectuar la absorcin. La solucin es bombeada a un generador de amoniaco, en esta etapa se eleva la presin y se calienta la solucin lo que causa la separacin del amoniaco, quedando listo como fluido refrigerante. Un esquema de este ciclo se representa en la figura 4. Figura 4. Refrigeracin por vaco y absorcinEjemplo de Aplicacin Determinar las toneladas de fro que produce un sistema de compresin de fren 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 operacin de 4.SOLUCION: El fren al evaporarse requiere o absorbe 52 BTU/Ib, esto significa que extrae en un proceso de enfriamiento 52 BTU/lb de fren. Para una hora el calor extrado es:Q = 1920 x 52 = 99.840 BTU/hrRecordando que una tonelada de fro 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 fro = 12.000 BTU/hrLuego 99.840 / 12000 entonces las Toneladas de fro son 8.3El coeficiente de operacin se define como la relacin entre el calor extrado y la diferencia entre calor requerido y extrado, llamando W la diferencia que debe ser igual al trabajo efectuado, por el compresor: = QE / W W = QE / = 52 /4 = 13 BTU / lbObsrvese que el trabajo es igual a la diferencia de los caloresW = Qc - QE = 65 -52 = 13 BTU/lbLa potencia por hora ser: W = 13 x 1.920 = 24.960 BTU/hr equivalente a W = 9.8 H.P.

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