Efecto del diseño de intercambiadores de placas basado en la eficiencia de transmisión de calor en la simulación de procesos de pasteurización de jugos y bebidas de frutas

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(1)Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ím. ica. UN T. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA. "EFECTO DEL DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE. Qu. PLACAS BASADO EN LA EFICIENCIA DE TRANSMISIÒN DE CALOR EN LA SIMULACIÒN DE PROCESOS DE. en ier ía. PASTEURIZACIÒN DE JUGOS Y BEBIDAS DE FRUTAS”. TRUJILLO – PERU. Bi. bli. ot. ec. a. de. In g. 2012. Bach: Jaime Erick Ramón Mimbela. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(2) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. --------------------------------------------. en ier ía. Qu. ím. Ms Juan Adolfo Guerrero LLúncor. ica. UN T. MIEMBROS DEL JURADO DICTAMINADOR. --------------------------------------. --------------------------------------Dr. Wilber Loyola Carranza ASESOR. Bi. bli. ot. ec. a. de. In g. Ms Ernesto Wong López. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(3) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. UN T. DEDICATORIA. Qu. ím. ica. Con gratitud y amor a mis queridos padres Yolanda Mimbela Pupuche. y Silvano Ramón Montañez. por su abnegada misión de orientarme y apoyarme para seguir adelante.. Asimismo no quiero dejar de agradecer a todos mis amigos, por el apoyo incondicional brindado durante mis estudios.. Bi. bli. ot e. ca. de. In. ge nie ría. A todos mis hermanos, por el apoyo brindado durante el desarrollo de mi carrera profesional que culmina con la realización de la presente Tesis.. Jaime Ramón Mimbela. i Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(4) UN T. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ica. AGRADECIMIENTO. ím. Expreso en primer lugar mi sincero agradecimiento a la Dirección y Plana Docente de los Departamentos de Química e Ingeniería Química de la en mi. ge nie ría. formación profesional.. dedicación y esfuerzo. Qu. Universidad Nacional de Trujillo por la. Agradezco muy especialmente al Ing. Wilber Loyola Carranza, Asesor de la Tesis, por su apoyo, consejos y orientación en la realización y culminación de la misma.. Finalmente mi agradecimiento a todos mis compañeros y amigos que siempre. El Autor. Bi. bli. ot e. ca. de. In. me incentivaron a la culminación de mi carrera profesional.. ii. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(5) UN T. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ica. RESUMEN. ím. Se ha usado un programa computacional para el análisis de procesos de intercambiadores de placas.. Qu. pasteurización de bebidas de frutas envasadas en frío o en caliente, en. El programa consta de los módulos configuración, microbiología, cálculo. en ier ía. de procesos térmicos, simulación de procesos y producción. Con datos de composición del producto en estudio, flujos y temperaturas de los medios de calentamiento y enfriamiento, se estiman las condiciones de flujo del producto así como sus perfiles de temperatura. Con esta información y la aplicación del método general se estimaron los niveles de esterilidad. In g. (valores F) que se logran en cada caso. La inclusión de datos de la cinética de destrucción de microorganismos, de desarrollo de sabor en. de. los productos y costos del proceso, permite generar las condiciones óptimas con las cuáles se asegura la esterilidad del producto, se minimiza. Bi. bli. ot. ec. a. su deterioro y el costo del proceso.. iii. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(6) ABSTRACT. ica. UN T. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ím. It has used a computer program to analyze pasteurize bottled fruit drinks cold or hot, in plate heat exchangers.. Qu. The program consists of configuration modules, microbiology, calculation of thermal processes, process simulation and production. With product. en ier ía. composition data in study, flows and temperatures means heating and cooling, the product flow conditions as well as their temperature profiles are estimated. With this information and the application of the general method sterility levels (F values) are achieved in each case they were estimated. The inclusion of data on the kinetics of destruction of microorganisms, development of flavor in products and process costs, can. In g. generate the optimal conditions with which ensures sterility of the product,. Bi. bli. ot. ec. a. de. its deterioration and the cost of the process is minimized.. iv. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(7) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. UN T. ÍNDICE. Dedicatoria. i. ica. Agradecimiento. ím. Resumen. Qu. Índice Glosario. Índice de Figuras. iii iv viii ix x. INTRODUCCIÓN. In g. CAPITU LO I:. en ier ía. Índice de Tablas. ii. Antecedentes. 2. 1.1. Diseño del armazón y las placas. 4. 1.2. Selección de empaquetaduras. 5. 1.4. Uso de los intercambiadores de placas. 5. ec. a. de. 1.1. 6. 1.6. Distribución de flujo. 7. Mecanismo de transferencia de calor. 8. 1.8. Diferencia de temperaturas media logarítmica y factor térmico. 10. 1.9. Incrustaciones. 11. Modelos de flujo y arreglos. bli. ot. 1.5. Bi. 1.7. iv. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(8) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Corrosión. 12. 1.11. Coeficientes de transferencia de calor. 13. 1.12. Caídas de presión. 14. 1.13. Consideraciones para el diseño. 1.14. Procedimiento de diseño. 1.15. Conservación y procesamiento por medio del calor. UN T. 1.10. 14. 1.15.2. Esterilidad comercial. 1.15.3. Pasteurización. 1.15.4. Escaldado. Qu. Esterilización. en ier ía. 1.15.1. ím. ica. 15. 18 19 19 20 20. Determinación de los tratamientos térmicos. 21. 1.17. Resistencia de los microorganismos al calor. 21. 1.17.1. Curvas de tiempo de muerte térmica. 22. 1.17.2. Márgenes de seguridad. 26. de. Problema de la transmisión del calor. 29. 1.18.1. Calentamiento por conducción y convección. 30. Punto frío en las masas de alimento. 31. Determinación del tiempo del proceso. 32. ec. a. 1.18. ot. 1.18.2. bli. 1.18.3. Bi. 1.19. In g. 1.16. Efectos protectores de los componentes de alimentos. 33. 1.19.1. Combinaciones de tiempo y temperatura. 35. 1.19.2. Calentamiento puede preceder o seguir al envasado. 36. v. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(9) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.19.3. Calentamiento de los alimentos dentro de los envases. 37. Pasteurización por lotes. 42. 1.21. Problema. 45. 1.22. Hipótesis. 1.23. Objetivos. 1.24. Justificación. 45. 46. ím. ica. 45. MATERIALES Y METODOS. Qu. CAPITU LO II:. UN T. 1.20. 2.1. Análisis y restricciones de la operación del. 47. 2.2. Velocidad de destrucción de microorganismos por calentamiento. 53. 2.3. Procedimiento de cálculo. 53. 2.3.1 Menú principal. 53. 2.3.2 Opción de configuración. 54. 2.3.3 Opción microbiológica. 54. 2.3.4 Opción de cálculos. 55. a. de. In g. en ier ía. intercambiador de placas. 56. 2.4. Datos suministrados para el intercambiador de placas. 57. 2.5. Resultados y discusión. 57. Bi. bli. ot. ec. 2.3.4 Opción de producción. vi. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(10) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIOES. Conclusiones. 63. 3.2. Recomendaciones. 64. ica. 3.1. UN T. CAPITULO III:. 65. Bi. bli. ot. ec. a. de. In g. en ier ía. Qu. ím. BIBLIOGRAFÍA. vii. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(11) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. K Lp Np Nc Npasos P Q Rd. ec. a. Tc, tc t1, t2. ica. de. Sp S T1, T2. ím. De Ep H,. Densidad (lb / ft3). Qu. Aft C. Viscosidad (lb / ft h). en ier ía. Ap Atp. Superficie de transferencia de calor (ft2) Ancho de placa (ft) Área de transferencia de placa (ft2) Área de flujo (ft2) Calor específico del fluido (BTU/lb °F) Diámetro equivalente (ft) Separación entre placas (ft) Coeficiente de transferencia de calor por convección (BTU/ h ft2 °F) Conductividad térmica (BTU/ h ft °F) Largo de placa (ft) Número de placas Número de canales Número de pasos Fluido de proceso (producto) Flujo de calor (BTU / h) Factor de obstrucción (h ft2 °F / BTU) Espesor de placa (ft) Fluido de servicio (agua) Temperaturas del producto (°F) Temperaturas calóricas de producto y fluido de servicio (°F) Temperaturas de fluido de servicio (°F) Temperatura media logarítmica (°F) Coeficiente global de transferencia de calor (BTU/ h ft2 °F) Velocidad media (ft/s) Peso de flujo de fluido (lb / h). In g. A. UN T. GLOSARIO. TML. bli. ot. U, Uc, UD. Bi. Vm W, w. viii. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(12) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. UN T. ÍNDICE DE TABLAS. Resistencias a la incrustación sugeridas para diseño de intercambiadores de placas.. Tabla 1 - .2. Clasificación de los alimentos con base en los requisitos para su procesamiento.. Tabla 1 - 3. Tiempo de procesamiento para hortalizas en latas De 307 x 409 y frascos del N° 303.. 33. Tabla 1 – 4. Temperaturas más altas y convección forzada En la autoclave agitadora reducen el tiempo de Procesamiento.. 39. 12. 28. Bi. bli. ot. ec. a. de. In g. en ier ía. Qu. ím. ica. Tabla 1 – 1. ix. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(13) UN T. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ÍNDICE DE FIGURAS. Figura 1 – 1. El intercambiador de calor de placas. Figura 1 – 2. Configuración de flujo en el intercambiador de placas. 3. Figura 1 – 3. Disposición de las empaquetaduras. 3. Figura 1 – 4. Modelos de flujo y arreglos. Figura 1 – 5. Variación de la presión y distribución de flujo en los canales.. 8. Figura 1 – 6. Transferencia de calor entre dos fluidos. 9. Figura 1 – 7. Factor térmico. 10. Figura 1 – 8. Curva de velocidad de la destrucción bacteriana que demuestra el orden logarítmico de muerte. 23. Figura 1 – 9. Curvas típicas de muerte térmica para esporas Bacterianas y células vegetativas .. 24. Figura 1 – 10. Curvas de muerte térmica para PA 3679 y FS 1518. 25. Figura 1 – 11. Cuanto mayor sea la concentración de esporas, mayor será la cantidad de calor requerida para materias.. 26. Figura 1 – 12. Colocación del termopar cuando el calentamiento es principalmente por conducción o convección.. 31. Figura 1 – 13. Vista recortada de una autoclave agitadora de operación continua.. 38. Figura 1 – 14. Esquema del cocedor y enfriador hidrostático en que se ve como la presión de vapor es equilibrada por los niveles de agua. 41. Interfase del programa computacional Universidad de las Américas.. 48. Bi. bli. ot. ec. a. de. In g. en ier ía. Qu. ím. ica. 2. Figura 2 – 1. 7. x. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(14) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Datos de operación del pasteurizador. 58. Figura 2 – 3. Resultados generados por el simulador. 59. Figura 2 – 4. Perfil de temperaturas en el pasteurizador. 59. Figura 2 – 5. Valor F del proceso de pasteurización. Figura 2 – 6. Simulación de un proceso alterno. Figura 2 – 7. Valor F de un proceso simulado. UN T. Figura 2 – 2. 60. 62. Bi. bli. ot. ec. a. de. In g. en ier ía. Qu. ím. ica. 61. xi. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(15) ím. CAPITULO I. ica. UN T. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.1 Introducción. Qu. Los intercambiadores de calor son dispositivos que se utilizan en el calentamiento o enfriamiento de fluidos. Estos dispositivos están ideados, en ciertos casos, para elevar o disminuir la temperatura de algún producto. en ier ía. involucrado en determinado proceso ingenieril; en otros casos, son muy útiles para un mejor aprovechamiento de la energía del proceso 1. El principio en que se basan estos aparatos es la transferencia de calor que se realiza entre diferentes fluidos que se hallan a distinta temperatura.. In g. De los diversos tipos de intercambiadores existentes, es quizás el de placas uno de los más utilizados en la industria alimentaría. Estos intercambiadores consisten en un conjunto de placas corrugadas que se hallan unas frente a. de. otras, de modo que entre ellas pueden circular fluidos. Estas placas se encuentran comprimidas y sostenidas mediante un bastidor adecuado. Las. a. placas están selladas entre si mediante juntas adecuadas en sus bordes, para. ec. evitar que los fluidos escapen o se mezclen 1.. ot. Los intercambiadores de calor de placas presentan una transferencia de calor. bli. excelente, debido a su diseño ya que las placas tienen un espesor muy. Bi. pequeño que favorece dicha transferencia. Todo ello lleva consigo que para realizar una transmisión de calor determinada, la superficie de intercambio no sea elevada, con lo que los costes de inversión no serán altos.. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(16) ím. ica. UN T. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Qu. Figura 1-1 El intercambiador de calor de placas. Los materiales con los que están construidas las placas son muy variados, generalmente de aceros inoxidables. Dependiendo de las condiciones de material a utilizar 1,2.. en ier ía. corrosión de los productos que se están manejando se escoge el tipo de. En el diseño de estos intercambiadores de calor se busca la superficie de intercambio, o lo que es lo mismo, el número de placas necesarias. El número. In g. de éstas y su tamaño es seleccionado dependiendo de las cantidades de producto a tratar, de sus propiedades físico - químicas y de las propiedades de las placas utilizadas 1,2,3.. de. En la bibliografía consultada, pueden encontrarse dos modos de cálculo en el diseño de intercambiadores de placas4,5,6,7,8. Uno de ellos, basado en la. a. utilización de la verdadera temperatura media logarítmica y el otro basado en. ec. la eficacia de transmisión de calor como función del número de unidades de transferencia (N.U.T.) y, a diferencia del anterior, no es necesario conocer. ot. todas las temperaturas de entrada y salida de los fluidos para el cálculo de la. bli. temperatura media logarítmica, ya que no se necesita calcular esta para los. Bi. propósitos de diseño. Series de placas son presionadas unas a otras, de tal manera que las corrugaciones forman estrechos canales para el flujo de los fluidos, lo cual siempre produce turbulencia aún a velocidades muy bajas.. 2. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(17) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Placas extremas. UN T. Placas térmicas. ica. T2. t1. Qu. ím. Fluidos. T1. t2. en ier ía. Figura 1- 2 Configuración de flujo en el intercambiador de placas. Las corrugaciones también aumentan la rigidez de las delgadas placas, haciéndolas capaces de resistir deformaciones debido a las altas presiones. Un adecuado número de soportes también ayuda a minimizar los riesgos de. Fluido 1 Empaquetaduras. de. Fluido2. In g. deformaciones debido a las presiones.. ec. a. Placa. Figura 1 - 3 Disposición de las empaquetaduras. ot. Usando las empaquetaduras según convenga, se puede arreglar el flujo en. bli. contracorriente y los flujos individuales pueden ser divididos en corrientes. Bi. paralelas, así mismo las empaquetaduras sellan a las placas en sus bordes en todo su alrededor, haciendo el diseño respectivo para dar lugar a las entradas y salidas que pueden ser en el tope o en el fondo. Las empaquetaduras también proveen un doble sello entre las corrientes de los fluidos haciendo imposible la mezcla, también se pueden hacer una gran combinación de. 3. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(18) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. canales, de tal manera que el conjunto de placas se puede ajustar para diferentes servicios, Figura 1 – 3.. UN T. Los fabricantes han desarrollado sus respectivos tipos de placas para. optimizar la transferencia de calor y las caídas de presión. El tamaño y espesor de las placas unidos al diseño de la armazón, están relacionados al. tipo particular de placas (corrugadas o ranuradas). En la actualidad aún no. ica. existe un diseño estándar común para el intercambiador de placas tal como el de la TEMA o la BSS para intercambiadores tubulares.. ím. Las placas pueden ser construidas de materiales que pueden ser trabajados en frío, sin someterlos a un proceso de soldadura. Los materiales comunes de. Qu. intercambiadores de placas son acero inoxidable, titanio, níquel, monel, incoloy 825, hastelloy C, bronce al fósforo y cobre-níquel. Los materiales que. en ier ía. poseen titanio proveen una gran resistencia a la corrosión. El espesor de las placas varía entre 0,5 a 3,0 mm. La distancia promedio entre placas (ancho de los canales) está entre 1,5 a 5,0 mm. Los tamaños de las placas varían entre 0,03 a 1,5 m2. Las áreas de transferencia se extienden desde 0,03 hasta 1500 m2. Los grandes intercambiadores de placas manejan. In g. flujos de hasta 2500 m3/h.. Diseño del armazón y las placas. de. 1.2. El armazón de un intercambiador de placas consiste de dos placas extremas. a. fuertes, una barra vertical y dos barras horizontales, una en la parte superior y. ec. otra en la parte inferior. Las placas térmicas están suspendidas sobre las barras horizontales y presionadas sobre las placas extremas. El conjunto de. ot. placas es presionado por medio de un mecanismo de presión, el cual tiene una escala para indicar la presión ejercida, así se previene una presión baja o. Bi. bli. mayor. Las placas extremas y el armazón no están en contacto con los fluidos, están hechas de acero al carbono y algunas veces de hierro fundido, ellas deben llevar un recubrimiento protector. Para demandas sanitarias estas deben ser cubiertas con acero inoxidable.. 4. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(19) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Selección de empaquetaduras. 1.3. Cada placa tiene una empaquetadura cuya función es efectuar un sello total y. UN T. cerrar la trayectoria de flujo de uno de los fluidos en las corrientes de proceso. Las empaquetaduras van en una ranura alrededor del perímetro de las placas y fijas a las mismas.. La disposición de las empaquetaduras deben hacerse de tal manera que se. ica. tenga un mínimo de estas áreas expuestas a los fluidos. Las empaquetaduras etc. y materiales plásticos como el teflón.. ím. son hechas principalmente de elastómeros como el caucho natural, neopreno,. Qu. Para altas temperaturas se pueden usar empaquetaduras de fibra de asbesto. Estas resisten mezclas de compuestos químicos orgánicos y un rango de. en ier ía. temperatura de operación del intercambiador alrededor de 200 °C. La sección transversal de las empaquetaduras varia de acuerdo a los tipos de placas, siendo las mas comunes las de sección trapezoidal u oval. El ancho es generalmente de 5 a 15 mm., dependiendo del espaciado. Debido a que las empaquetaduras no son muy elásticas comparadas con los plásticos, las. In g. placas y armazón deben estar diseñados para soportar grandes fuerzas de presión requeridas para el sellado. Uso de los intercambiadores de placas. de. 1.4. Los fluidos viscosos que pudieran fluir laminarmente en intercambiadores. a. tubulares, estarán probablemente en flujo turbulento en un intercambiador de. ec. placas. Cuando un liquido contiene sólidos suspendidos, la diferencia entre el ancho de los canales y el diámetro de las partículas no deberá ser menor de. bli. ot. 0,5 mm.. Bi. Cuando se especifica una construcción del lado de los tubos de acero inoxidable o para servicios múltiples, el intercambiador de placas compite con el tubular. Si se requiere una construcción en su totalidad de acero inoxidable, el tipo de placas es menos costoso que las unidades tubulares.. 5. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(20) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Los intercambiadores con área de transferencia mayor de 1500 m 2 no son usualmente aprovechables.. UN T. La presión de operación máxima también limita el uso de los intercambiadores de placas. Aunque es posible diseñar y construir unidades capaces de operar. sobre los 25 kg/cm2, la presión normal de operación es de alrededor 10 kg/cm2.. Los. materiales. disponibles. para. la. construcción. de. las. ica. empaquetaduras, limitan la temperatura de operación para un intercambiador. ím. de placas a alrededor de 300 C. Modelos de flujo y arreglos. 1.5. Qu. Los principales modelos de flujo en intercambiadores de placas mostrados en la Figura 1 - 4 son:. en ier ía. a) Flujo en serie.- una corriente continua cambia de dirección después de cada recorrido vertical.. b) Flujo en paralelo.- la corriente principal se divide en subcorrientes para converger posteriormente en una sola. In g. Los arreglos posibles en un intercambiador de placas son: a) Arreglo en paralelo. de. b) Arreglo en Z. c) Arreglo en U. a. El número de canales paralelos está dado por el rendimiento del. ec. intercambiador y la caída de presión permisible. El mayor número de canales. ot. disminuye la caída de presión. El número de canales en serie es determinado por la eficiencia y los requerimientos de intercambio de calor. Si un liquido es. bli. enfriado en flujo viscoso, el número de canales puede ser reducido para. Bi. incrementar la velocidad y por lo consiguiente aumentar el coeficiente de transferencia de calor.. 6. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(21) b. Flujo en paralelo. c. Flujo en Z 1 paso/1 paso 4 canales/paso 7 placas térmicas 9 placas en total. e. Arreglo en U. en ier ía. d. Flujo complejo 2pasos/2pasos 4 canales/paso 15 placas térmicas 17 Placas totales. Qu. ím. ica. a. Flujo en serie. UN T. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Figura 1 - 4 Modelos de flujo y arreglos. Distribución de flujo. 1.6. In g. La distribución de flujo a través de los canales en un paso, usualmente se asume como uniforme. Este no puede ser el caso para fluidos viscosos,. de. cuando los canales son anchos y el número de placas es grande. El cálculo de la distribución actual de flujo no es fácil.. a. La distribución de flujo a través de las placas en conjunto, es determinada por. ec. los perfiles de presión en las dos diversificaciones (las diversificaciones de entrada y salida para cada corriente). En el. arreglo en U los canales de. ot. entrada y salida para cada corriente están en la misma placa final, pero ellos. bli. están en las placas finales opuestas en el arreglo en Z. Los perfiles de presión. Bi. en las distribuciones son determinadas por dos factores: 1) La fricción del fluido. 7. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(22) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 2) Los cambios de velocidad del fluido (la velocidad del fluido disminuye a medida que va diversificándose el flujo de entrada y aumenta a medida. UN T. que va diversificándose el flujo de salida). Las variaciones en la presión debido a estos dos factores puede ser en la. misma dirección o en la dirección opuesta dependiendo de la diversificación. ica. de flujo de entrada y salida.. P1. Y. P2. a bli. ot. ec. Y Arreglo en U. Bi. Y. de. Flujo En los canales. 1.7. P2. In g. Y. P1. en ier ía. P1 Presión. P1. Qu. Y. P2. ím. P2. Y Arreglo en Z. Figura 1 - 5 Variación de la presión y distribución de flujo en los canales. Mecanismo de transferencia de calor. Como se muestra en la Figura 1 - 6, el flujo en un canal puede recibir simultáneamente calor de dos corrientes adyacentes fluyendo en direcciones opuestas. Las placas son adicionadas para incrementar el área de transferencia de calor, otros modelos de flujo más complejos y muchas 8. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(23) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. configuraciones se pueden obtener. Según el modelo de flujo, en los intercambiadores de placas, la diferencia de temperaturas media logarítmica,. UN T. se puede ajustar usando un factor de corrección.. Fluido caliente. ica. Fluido frío. Figura 1 - 6 Transferencia de calor entre dos fluidos. ím. Las placas según su construcción generalmente se denominan “suaves” o. Qu. “duras”, bajos coeficientes de transferencia y pequeñas caídas de presión por paso caracterizan a las primeras y lo opuesto a las segundas. Las placas duras son mas complejas, son largas y angostas, y tienen profundas anchas y cortas.. en ier ía. corrugaciones y pequeños espacios entre placas. Las placas suaves son. Para decidir el tipo de placa para un servicio particular, se hace uso del número de unidades de transferencia (HTU): tm = (2Ap U) (m Cp). In g. HTU = t1 –t2. (1 - 1). HTU, también es conocido como el factor de performance, longitud térmica o. de. razón de temperaturas, y puede definirse como el cambio total de temperatura para el fluido, dividido por la diferencia media aritmética de temperaturas para. a. el intercambiador, o también.. ec. HTU = (U Ad)/(m Cp). (1 - 2). ot. Un buen diseño, es el que proporciona un área de intercambio que satisfaga las cargas de calor, y use las presiones aprovechables eficientemente. Las. Bi. bli. placas duras son mas convenientes para operaciones dificultosas que requieran altos valores de HTU (cuando las diferencias de temperatura son pequeñas), con este tipo de placas se consigue altas recuperaciones de calor. Las placas suaves son aconsejables para operaciones fáciles, en las que se requieran bajos valores de HTU (menores que 1).. 9. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(24) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. A elevado HTU, la operación se lleva acabo con una caída de presión relativamente alta, tal que puede hacerse tan grande que no sea permisible. UN T. por el alto costo de bombeo; y a bajo HTU sucede lo contrario. El número de unidades de transferencia depende de la configuración de las placas como también de la longitud. Un intercambiador de placas típico. (operación agua – agua), debe tener 2 a 2,5 HTU por paso. Para cargas muy. ica. altas (HTU = 9), el intercambiador puede diseñarse con tres pasos en serie. (cada paso con HTU = 3). Usualmente se adopta un diferente número de. ím. pasos cuando las velocidades de flujo y las caídas de presión permisibles para cada fluido son diferentes.. Qu. La selección de un determinado tipo de intercambiador (tamaño, cantidad de placas y modelos de flujo) es complicado. Sin embargo, un determinado. en ier ía. tamaño de placas puede seleccionarse para operaciones liquido – liquido mediante el uso de correlaciones generalizadas. 1.8 Diferencia de temperaturas media logarítmica y factor térmico La diferencia de temperaturas media logarítmica para un intercambiador de. Tent. Tsal. (1 - 3). T ln ent Tsal. de. TL =. In g. placas se determina mediante la ecuación 1 – 3.. a. 1,0. ec. 0,9. 5/5 2/2. ot. 0,8. Bi. bli. Ft. 4/4. 1/1 y 3/3. 2/1. 0,7. 3/1 0,6 4/1 0,5 0. 1. 2. 3. 4. 5 6 HTU. 7. 8. 9. 10. 11. Figura 1 - 7 Factor térmico. 10. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(25) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. El factor térmico (o factor de corrección) para la. TL en un intercambiador de. placas depende del número de fluidos. Cuando la relación de flujos entre los fluidos cae entre 0,66 y 1,5 es posible tener un arreglo con igual número de. UN T. pasos en ambos lados del intercambiador. Cuando hay un igual número de pasos para los fluidos, el factor térmico es alto. Cuando las relaciones de flujo cambian mucho, se usa un sistema de múltiple paso con diferente numero de. ica. pasos para cada fluido.. Generalmente los valores del factor térmico en intercambiadores de placas. ím. son mas altos que los obtenidos en intercambiadores de casco y tubo. La Figura 1 - 7 proporciona valores aproximados del factor térmico par diferentes. Incrustaciones. en ier ía. 1.9. Qu. sistemas de pasos a HTU menores que 11.. La tendencia a formar incrustaciones en un intercambiador de placas es disminuida debido a las altas turbulencias en el flujo (lo cual mantiene los sólidos en suspensión), las áreas lisas de las placas y la ausencia de zonas de baja velocidad (tal como las presentes en el lado del casco en. In g. intercambiadores tubulares). El material de las placas resistente a la corrosión también reduce la tendencia a formar incrustaciones en intercambiadores de placas, debido a que los productos de corrosión, los cuales pueden formar. de. incrustaciones están ausentes.. Los factores de incrustación para diseño de intercambiadores de placas están. ec. a. entre el 10 y 20 % de los factores dados para los intercambiadores tubulares. La fácil accesibilidad a la limpieza, ya sea química o mecánica también. Bi. bli. ot. permite un bajo factor de incrustación para diseño, Tabla 1 – 1... 11. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(26) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Tabla 1- 1 Resistencias a la incrustación sugeridas para diseño de intercambiadores de placas. 1.10. Corrosión. UN T ica. 0,34 0,34 0,17 0,17 0,34. a a a. 0,86 1,03 0,51. a. 1,03. en ier ía. Aceites lubricantes Aceites vegetales Solventes orgánicos Vapor Fluidos de proceso en general. 0,17 0,34 0,86 0,70 0,86 0,86. ím. Agua Desmineralizada o destilada Blanda Dura De enfriamiento (tratada) De mar De río. r x 105 m2 C/W. Qu. Fluido. Debido a que las placas son tan delgadas comparadas con los tubos, la corrosión permisible dada en la bibliografía para equipos de proceso, no es aplicable en este caso. Como una guía general, la máxima velocidad de. In g. corrosión permisible para un intercambiador de placas es 2 mpy (milésima de pulgada por año).. de. Para un ambiente corrosivo particular, un cambio de un intercambiador de casco y tubo por un intercambiador de placas puede hacerse mediante el uso. a. de una aleación resistente. Por ejemplo, mientras el acero inoxidable 316 se. ec. especifica para un intercambiador tubular enfriando ácido sulfúrico, un intercambiador de placas puede requerir una aleación que contenga Ni, Cr, Mo. ot. y cobre (Incoloy 825). La ingeniería del diseño debe estar abocada a dar el. bli. equipo y el material adecuado para una operación específica.. Bi. Aunque un intercambiador de placas puede requerir un material mas costoso, el pequeño espesor de las placas, junto con el coeficiente de transferencia, frecuentemente hacen que el costo por unidad de transferencia sea mas bajo.. 12. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(27) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.11. Coeficientes de transferencia de calor. Los coeficientes de película para la transferencia de calor en los. UN T. intercambiadores de placas, son usualmente correlacionados por una ecuación de la forma: Nu = C (Re )n (Pr)m (. av /. )x. ( 1 - 4). ím. para el diseño de un tipo de placa en particular.. ica. Las constantes y exponentes son determinados empíricamente y son válidos. Valores típicos reportados para el flujo turbulento son:. Qu. C = 0,15 -------- 0,40 n = 0,65 -------- 0,85. en ier ía. m = 0,30 -------- 0,45 (usualmente 0,333) x = 0,05 -------- 0,20. Una expresión muy conocida adoptada para estimar el coeficiente de película para flujo turbulento en intercambiadores de placas es: (1 - 5). In g. h = 0,2536 (k/De)(Re)0,65 (Pr)0,4. El diámetro equivalente De es definido como 4 veces el área de sección. de. transversal del canal dividido por el perímetro húmedo del canal. De = (4 W b) / (2 W + 2 b). a. Si en la ecuación (1 – 6). (1 - 6). la distancia entre placas (b) es muy pequeña. ec. comparado con el ancho de las placas (W), se puede aproximar:. ot. De = 2 b. (1 - 7). bli. De otro lado para estimar el coeficiente. de película para el régimen. Bi. laminar (Re < 400), se puede usar la ecuación propuesta por Jackson. El flujo es normalmente laminar en intercambiadores de placas para fluidos altamente viscosos. h = 0,742 Cp G (Re)-0,62 (Pr)-0,667 (. 0,14 / w). (1 - 8). 13. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(28) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.12. Caídas de presión. La caída de presión en un intercambiador de placas puede estimarse. UN T. mediante la ecuación propuesta por Cooper: P = (2 f G2 L) / (g De ). (1 - 9). ica. en la ecuación ( 1 – 9). ím. f = 2,5 / (Re)0,3. (1 - 10). Qu. El promedio de velocidades en intercambiadores de placas es mas bajo que las de los intercambiadores tubulares. El rango típico de velocidades va de 0,5 a 0,8 m/s. Sin embargo, debido a la alta turbulencia del flujo en los. en ier ía. intercambiadores de placas, los coeficientes de transferencia son mucho mas altos que en los intercambiadores tubulares (así para agua es 2900 a 4100 W/m2 C en intercambiadores de placas, comparado con 1150 a1750 W/m 2 C en intercambiadores tubulares).. Consideraciones para el diseño. In g. 1.13. La complejidad de los diseños de las placas y las configuraciones de flujo,. de. limitan la aplicación de información disponible (la cual es escasa) para los intercambiadores de placas. Los fabricantes tienen sus propios procedimientos. a. de diseño para sus intercambiadores, lo cual incluye programas de. ec. computación ya elaborados.. ot. Un método de diseño alternativo se propone en esta obra, para lo cual se han. bli. hecho las asunciones siguientes:. Bi. 1) Las pérdidas de calor son despreciables 2) No hay espacios con aire en los intercambiadores 3) El coeficiente total de transferencia es constante a través de todo el intercambiador 4) La temperatura de los canales varía solamente en la dirección del flujo. 14. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(29) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 5) Las corrientes se dividen en partes iguales entre los canales en el caso de un flujo en paralelo.. UN T. Si N es el número de placas térmicas, (N + 1) es el número de canales. paralelos. Solamente las placas térmicas transfieren calor; las dos placas. finales no lo hacen, razón por la cual estas unidades requieren menos o casi. 1.14. ica. nada de aislamiento comparado a las unidades tubulares. Procedimiento de diseño. ím. El procedimiento de diseño puede ilustrarse con un problema típico, dado por un fluido caliente que debe enfriarse desde una temperatura T 1 hasta una. en ier ía. Los pasos a seguir son los siguientes:. Qu. temperatura T2; para lo cual se dispone de un fluido frío a t1.. 1. Calcular la carga de calor: Q Q = m Cp (T1 – T2). (1 - 11). 2. Calcular la temperatura de salida del fluido frío: t2. In g. t2 = t1 – Q/(m Cp). (1 - 12). 3. Determinar las propiedades físicas de los fluidos a su respectiva. de. temperatura media.. 4. Determinar el tipo de intercambiador .. a. 5. Fijar las resistencias a la incrustación (Ref. Tabla 4.1). ec. 6. Calcular la temperatura media logarítmica (ecuación 1 - 3). ot. 7. Calcular el número de unidades de transferencia para cada fluido: HTU. Bi. bli. Fluido caliente:. Fluido frío:. 8.. HTU. HTU t2. T1 T2 TL. t1 TL. (1 - 13) (1 - 14). Suponer un valor de U. 8.1. Calcular un área provisional requerida: Ao. 15. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(30) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 8.2. Fijar el tipo y características de las placas.. 8.3. Determinar el número de placas térmicas Np. y número total de. UN T. canales (Nc) Np = Ao / 2Ap. (1 - 15). Nc = NP + 1 Determinar el número de canales paralelos: np. ica. 8.4. (1 - 16). ím. np = V / v. Qu. v: caudal /canal. (1 - 17). 8.5. Determinar el arreglo del intercambiador; número de pasos y número. en ier ía. de canales paralelos por paso: np 8.6. Determinar el factor térmico: Ft (Figura 1- 7). 8.7. Calcular los coeficientes de película para cada fluido como función del Número de Reynolds (Re). a) Para flujo en serie (cada fluido pasa como una simple corriente a. In g. través de los canales) Re = (De G)/. (1 - 18). de. b) Para flujo en paralelo (flujo dividido en varias subcorrientes) Re = De (G/np)/. Calcular el coeficiente total de transferencia de calor.. ec. a. 8.8. (1 - 19). Calcular el área total necesaria para la transferencia de calor: A o A0. Q U0 TL Ft. (1 - 20). bli. ot. 8.9. Bi. y comparar con el área disponible o de diseño: Ad Ad = 2 Ap Np. (1 - 21). Ad debe ser mayor que Ao ( el exceso no debe ser mayor del 15 %) 8.10 Verificar las caídas de presión P para cada fluido.. 16. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(31) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. La bibliografía consultada reporta poca información. respecto a este. importante tópico; sin embargo en la industria alimentaria su uso está muy. UN T. difundido. Detalles respecto al análisis de los parámetros no es posible obtenerlos. Sólo. en forma superficial es posible encontrar en catálogos de los fabricantes: flujos. de las corrientes, temperaturas de entrada y salida de los fluidos,. ica. viscosidades, calor latente, caídas de presión, número de placas, área de transferencia de calor, coeficiente total de transferencia de calor, etc.. ím. La eficacia del intercambiador se define como la relación entre el flujo de calor real y el flujo de calor máximo posible8,9. Este último valor se obtendrá en un. Qu. intercambiador de calor que funcionase en contracorriente y cuya área fuese infinita.. en ier ía. Suponiendo que no existen pérdidas de calor hacia el exterior, para un intercambiador de área infinita, pueden presentarse dos casos: a) Que wc .C p ) c. w f .C p ) f , donde la temperatura de salida del fluido. caliente será igual a la de entrada del fluido frío. wc .C p )c , en cuyo caso la temperatura de salida del fluido frío. In g. b) w f .C p ) f. coincide con la entrada del fluido caliente.. de. Según esto puede decirse que la eficacia relaciona el flujo de calor del fluido que se está procesando con el flujo máximo posible, existiendo como límite el. a. que no contradiga con el segundo principio de la Termodinámica. De esta. wc .C p )c .(Te Ts ). w f .C p ) f .(ts te ). ( w.C p )min (Te te ). ( w.C p ) min (Te te ). (1- 22). bli. ot. ec. forma, la eficacia ( ) puede expresarse según la ecuación. Bi. En la que ( w.C p ) min es el menor valor de wc .C p )c y w f .C p ) f . Si se define la capacidad térmica por unidad de tiempo de un fluido cualquiera como el producto del caudal másico por su calor específico, es decir: C. w.C p. (1 - 23). 17. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(32) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. La ecuación. (1 - 22) puede expresarse como:. C f (ts te ). (1 - 24). Cmin (Te te ). UN T. Cc .(Te Ts ) Cmin (Te te ). De cualquier forma, si se conoce la eficacia de un intercambiador determinado es posible conocer el flujo de calor transmitido, conociendo únicamente las. Q. .Cmin (Te te ). ica. temperaturas de entrada de los fluidos frío y caliente:. (1 - 25). ím. Puede observarse que utilizando la ecuación (1 - 25) puede calcularse el flujo de calor transmitido sin necesidad de conocer las temperaturas de salida de. 1.15. Qu. los fluidos.. Conservación y procesamiento por medio del calor. en ier ía. Entre los diversos medios de conservación de alimentos, los que emplean calor son usados ampliamente. Los actos sencillos de cocimiento, fritura, cocimiento a ala parrilla, o calentamiento de otra manera de nuestros alimentos antes de ingerirlos, son formas de conservación de los mismos. Además de hacerlos más blandos y apetitosos, el cocimiento destruye una. In g. gran proporción de las enzimas naturales y de la flora microbiana, de manera que los alimentos cocidos pueden ser conservados durante varios días a condición de que sean resguardados contra la contaminación. La cocción. de. generalmente no esteriliza los productos; por lo tanto, aún cuando estén protegidos contra la recontaminación, los alimentos se descompondrán en un. a. tiempo relativamente breve. Este tiempo se prolongará si los alimentos cocidos. ec. se conservan bajo refrigeración.. ot. Otra característica del cocimiento es que generalmente constituye el último. bli. tratamiento al que se somete el alimento antes de consumirlo. La toxina que. Bi. puede ser formada por el clostridium botulinum es destruida por la exposición. al calor húmedo a 100°C durante 10 minutos. Los alimentos comerciales que han sido procesados correctamente no contendrán esta toxina. La cocción proporciona una última medida de protección es estos casos lamentables en que ocurre una falla en el procesamiento, o en que un envase defectuoso llega. 18. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(33) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. a contaminarse. Sin embargo, cuando hablamos de la conservación de los alimentos por medio del calor, queremos decir generalmente aquellos procesos que son ejecutados comercialmente bajo control, tales como el. UN T. escaldado, la pasteurización y el enlatado. 1.15.1 Esterilización. ica. Es la destrucción completa de los microorganismos. Debido a la resistencia de ciertas esporas bacterianas al calor, para destruirlas se requiere a menudo un. ím. tratamiento térmico húmedo a una temperatura mínima de 120°C durante 15 minutos, o su equivalente. También es preciso que cada partícula de alimento. Qu. reciba este tratamiento térmico. Si se trata de esterilizar una lata de alimento, su inmersión en una olla de presión o autoclave a 120 °C no será suficiente. Esto se debe a la velocidad relativamente lenta de la transmisión del calor a. en ier ía. través del alimento enlatado hasta el punto más céntrico del mismo. Según el tamaño de la lata, el tiempo efectivo para lograr la verdadera esterilidad puede ser de varias horas. Durante este tiempo pueden ocurrir muchos cambios en el alimento en detrimento de su calidad. Por fortuna, muchos alimentos no necesitan estar completamente estériles a fin de que sean seguros y que. In g. puedan conservarse.. de. 1.15.2 Esterilidad comercial. Este término ha sido inventado para describir la condición que existe en la. a. mayoría de nuestros productos enlatados y embotellados. Las palabras. ec. “comercialmente estéril” o “estéril” , que se ven frecuentemente en las etiquetas, significan ese grado de esterilidad en que todos los organismos. ot. patógenos y generadores de toxinas han sido destruidos, al igual que todos los demás tipos de organismos que, si estuvieran presentes, podrían crecer. Bi. bli. dentro del producto y provocar su descomposición, bajo condiciones normales de manejo y almacenamiento. Los alimentos “comercialmente estériles”. pueden contener un número muy pequeño de esporas bacterianas resistentes, pero normalmente éstas no proliferarán en el alimento. Sin embargo, si estuvieran aisladas del alimento y en condiciones ambientales especiales,. 19. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(34) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. podría demostrarse que están vivas. Nuestros alimentos enlatados que son “comercialmente estériles” pueden ser. UN T. conservados generalmente durante dos años o más. Aun después de periodos. más largos, el supuesto deterioro se debe comúnmente a cambios de textura o sabor más bien que el crecimiento de microorganismos.. ica. 1.15.3 Pasteurización. ím. Por pasteurización se quiere decir un grado relativamente bajo de tratamiento térmico, generalmente a temperaturas por debajo del punto de ebullición del. Qu. agua. Los productos pasteurizados, por ejemplo la leche, pueden contener muchos organismos vivientes – en el orden de varios miles por mililitro o por gramo. Sin embargo, los tratamientos térmicos de la pasteurización son. en ier ía. escogidos cuidadosamente a fin de destruir todos los organismos patógenos que pueden encontrarse en el alimento. Muchas veces la pasteurización se combina con otro medio de conservación, y los alimentos pasteurizados generalmente tiene que estar almacenados en un lugar refrigerado. La leche pasteurizada puede conservarse en un refrigerador doméstico durante una. In g. semana o más sin que adquiera ningún sabor extraño muy perceptible. Pero si se conserva a la temperatura del ambiente, la misma leche se descompondrá.. de. 1.15.4 Escaldado. El escaldado es un tipo de pasteurización que se emplea generalmente en las. a. frutas y hortalizas con el fin principal de inactivar las enzimas naturales. Esta. ec. práctica es común en los casos en que los productos van a ser congelados, ya. ot. que la congelación en si no se detendrá completamente la actividad enzimática. Según el grado en que sea aplicado, el escaldado también. bli. destruye algunos microorganismos, los mismo que la pasteurización inactiva. Bi. algunas enzimas. A veces los dos términos se emplean indistintamente, pero probablemente sea mejor reservar el término de pasteurización para los tratamientos térmicos destinados específicamente a la destrucción de los microorganismos patógenos.. 20. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(35) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.16. Determinación de los tratamientos térmicos. Ya que la cantidad de calor suficiente para destruir los microorganismos y las. UN T. enzimas de los alimentos en general también afecta en forma adversa a sus. demás propiedades, se entenderá que en la práctica es preferible escoger el. tratamiento más benigno que pueda garantizar la ausencia de patógenos y toxinas y lograr la capacidad de conservación deseada.. ica. A fin de conservar los alimentos en forma segura, hay que conocer lo. ím. siguiente:. a. Qué combinación de tiempo y temperatura se necesita para inactivar los. Qu. patógenos y organismos generadores de la descomposición más resistentes al calor en nuestro alimento específico.. en ier ía. b. Cuáles son las características de la penetración de calor en este alimento, incluyendo la lata o envase de nuestra elección, si está envasado. Tenemos que proporcionar el tratamiento térmico que asegurará que la partícula más alejada en un lote o dentro de un envase reciba la temperatura. In g. suficiente, durante un tiempo suficiente, para inactivar tanto los patógenos como los organismos generadores de la descomposición más resistentes, si queremos lograr la esterilidad o “ esterilidad comercial”, o para inactivar los. de. patógenos más resistentes si nuestro fin es la pasteurización.. a. Diferentes alimentos proporcionan el crecimiento de diferentes patógenos y. ec. organismos generadores de la descomposición, de manera que nuestros. ot. objetivos variarán de acuerdo con el alimento que hay que calentar. Resistencia de los microorganismos al calor. Bi. bli. 1.17. El patógeno más resistente al calor que podemos encontrar en los alimentos, especialmente los que están enlatados y serán conservados en condiciones anaerobias, es el clostridium botulinum. Pero hay bacterias que forman. 21. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(36) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. esporas y propician la descomposición, tales como el Anaerobio putrefactivo 3679 (PA 3679) y el Bacillus starothermophilus (FS 1518) que son aun mas resistentes al calor que el Cl. Botulinum . Al destinar un tratamiento térmico a. UN T. la inactivación de estos organismos generadores de la descomposición,. podemos estar seguros de que el Cl botulinum y todos los demás patógenos. 1.17.1 Curvas de tiempo de muerte térmica. ica. en el alimento serán destruidos.. ím. El calor mata las bacterias a una velocidad que casi es proporcional al número presente en el cuerpo que está recibiendo el calor. A esto se le llama un orden. Qu. logarítmico de muerte, lo cual significa que, bajo condiciones térmicas constantes, el mismo porcentaje de la población será destruida en un periodo dado, no importa cual sea el número de la población sobreviviente. Dicho de. en ier ía. otra manera, si una temperatura dada mata el 90% de la población restante durante el segundo minuto, el 90% de la que queda en el tercer minuto, etc. El orden logarítmico de muerte también es válido para las esporas bacterianas, pero el declive de la curva de muerte en este caso diferirá del de. In g. las células vegetativas, reflejando la mayor resistencia de las esporas al calor. Esto se representa en las Figuras 1 - 8 y 1 -9.. de. La Figura 1 - 8 representa el concepto del “valor D” que se define como el tiempo en minutos a una temperatura específica requerido para destruir el. Bi. bli. ot. ec. a. 90% de los organismos de una población.. 22. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(37) en ier ía. Qu. ím. ica. UN T. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Figura 1 – 8 Curva de velocidad de la destrucción bacteriana que demuestra el orden logarítmico de muerte. In g. Así que el valor D o dosis de reducción decimal disminuye la población sobreviviente en ciclo logarítmico. Si una cantidad de alimento en una lata contuviera un millón de organismos y recibiera calor durante un tiempo. de. equivalente a cuatro valores D, aún contendrá 100 organismos sobrevivientes. Si hubiera inicialmente 100 de estas latas en una autoclave y ésta les. a. proporcionara calor durante un periodo equivalente a 7 valores D, se. ec. supondría que las 100 latas con una población inicial total de 100 millones de organismos aun contendrían 10 organismos sobrevivientes. Estadísticamente,. ot. estos 10 organismos deberían estar repartidos entra las latas. Obviamente, sin. bli. embargo, ninguna lata puede contener una fracción de organismos, aunque. Bi. cada una de las 100 latas tenga un promedio de 0,1 organismo. Por lo tanto, es probable que diez de las latas tengan un organismo cada una y podrían descomponerse posteriormente, en tanto que 90 latas estarían estériles.. 23. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(38) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. La Figura 1 - 9 representa dos términos adicionales que se emplean en la. en ier ía. Qu. ím. ica. UN T. definición de las curvas de la muerte térmica.. Figura 1 – 9 Curvas típicas de muerte térmica para esporas bacterianas y células vegetativas. Estos son el “valor F” y el “valor Z”. El valor F se define como el número de minutos requeridos para destruir un número dado de organismos a una. In g. temperatura determinada, generalmente a 250°F. el valor Z es el número de grados Fahrenheit requeridos para que una curva de muerte térmica determinada pase por un ciclo logarítmico (cambie por un factor de diez). Hay. de. todavía otro término común nombrado valor F0 es el tiempo en minutos requerido para destruir un número dado de organismos de una clase. ec. a. determinada a una temperatura de 250°F cuando el valor Z es 18°F. El valor F0 o valor esterilizante, término común en la industria enlatadora,. Bi. bli. ot. puede ser expresado por la ecuación 1 – 26.. F0. m * anti log(. T. 250 ) 18. (1 - 26). Donde M está en minutos, T en grados Fahrenheit. Los requisitos F 0 de diversos alimentos difieren y son una indicación de la facilidad o dificultad con que pueden ser esterilizados por medio de calor. 24. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(39) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Las curvas de muerte térmica de muchos patógenos y organismos generadores de la descomposición importantes han sido determinadas en forma experimental. La Figura 1 - 10 representa las curvas establecidas para. UN T. el anaerobio putrefactivo 3679 y el Bacillus stearothermophilus. Nos dicen. cuanto tiempo se necesita para matar estos organismos (bajo condiciones definidas) a una temperatura seleccionada. Por ejemplo, si usamos una temperatura de 220°F se necesitarían 60 minutos a esta temperatura para. ica. matar un numero determinado de esporas de PA 3679. Por otra parte, si empleamos una temperatura de 250 °F, podemos matar estas esporas en un. a. de. In g. en ier ía. Qu. ím. poco más de un minuto.. ec. Figura 1 – 10 Curvas de muerte térmica para PA 3679 y FS 1518. ot. Son muchas las condiciones que tienen que definirse a fin de que una curva. bli. de muerte térmica sea significativa y aplicable al procesamiento de los. Bi. alimentos. La necesidad de un tratamiento térmico en proporción con el tamaño de la población microbiana inicial es inherente al orden logarítmico por el. que. mueren. las. bacterias.. Además,. las. sensibilidades. de. los. microorganismos al calor (y por lo tanto, las características de la curva de muerte térmica) son afectadas notablemente por la descomposición del. 25. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(40) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. alimento en el que se aplica el calentamiento. Se sabe que el ácido aumenta la fuerza mortífera del calor. Pero muchos componentes de los alimentos tienen el efecto opuesto, en la sensibilidad al calor de los microorganismos,. UN T. protegiéndolos contra el calor. Así, una curva de muerte térmica establecida. en un medio sintético o en un alimento dado, no necesariamente será válida para otro, y estas curvas deben ser establecidas, cuando sea posible, en el alimento específico para el que se está planeado un proceso de. ím. ica. calentamiento.. 1.17.2 Márgenes de seguridad. Qu. Los datos de las curvas de muerte térmica pueden ser representados de varias maneras. En la Figura 1 - 11 los datos son representados de manera. en ier ía. que muestran la resistencia al calor de las suspensiones de esporas bacterianas como un a función de la concentración inicial de esporas. Sin que importe la temperatura escogida, cuanto mayor sea el numero de los microorganismos o esporas, mayor será el tratamiento térmico requerido para destruirlos. Por eso, en tanto que una temperatura de unos 120ºC esteriliza. In g. una suspensión que contiene 1 000 esporas por ml en unos 2 minutos, se requerirían 10 minutos a la misma temperatura si la concentración de esporas. Bi. bli. ot. ec. a. de. inicial fuera DE 100 000 por ml.. Figura 1 - 11 Cuanto mayor sea la concentración de esporas, mayor será la cantidad de calor requerida para materias.. 26. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(41) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Generalmente no sabemos cuántos organismos estén presentes en una lata de alimento que queremos esterilizar comercialmente, ni, de hecho cuales tipos específicos de organismo estén presentes. A fin de dar un margen. UN T. suficiente de seguridad en los alimentos con un bajo contenido de acido,. damos por sentado que esta presente un creador de esporas, muy resistente al calor, como el PA 3679, y que su población es grande.. ica. De su curva de muerte térmica establecida en el mismo alimento, tomamos su valor D a la temperatura que decidimos emplear, y calentamos durante un. ím. tiempo suficiente para que cada partícula de alimento en la lata este expuesta a esta temperatura por un periodo que equivale a 12 valores D. Esto es. Qu. suficiente para disminuir cualquier población de PA 3679, por 12ciclos logarítmicos. Puesto que aun los alimentos muy descompuestos rara vez contienen una población bacteriana mayor que mil millones de organismos por. en ier ía. lata, los 12 valores D reducirían la población microbiana de lata a una condición de esterilidad. Si un gran numero de estas latas hubiesen contenido mil millones de organismos de PA 3679, entonces, según la estadística, después de un tratamiento de calor de 12 valores, se supondría que solo una lata en 1 000 podría contener aun, un solo organismo vivo, y que las otras 999 organismos. In g. latas estarían estériles. Si el alimento hubiese contenido un millón de por. latas. antes. del. calentamiento. (y. este. calculo. es. extraordinariamente alto todavía), entonces se supondría que el mismo. de. tratamiento térmico de 12 valores D dejaría estériles a 999 999 latas del millón. Ya que el tratamiento térmico de 12 valores D también se baso en la. a. destrucción del PA 3679, seria un más efectivo contra el Cl., botulinum, algo. ec. menos resistente al calor, y contra otros patógenos u organismos generadores de la descomposición, mucho menos resistentes al calor, que pudieran haber. Bi. bli. ot. estado presentes.. 27. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(42) Bi. bli. ot. ec. a. de. In g. Tabla 1- 2. en ier ía. Qu. ím. ica. UN T. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 28. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(43) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. El tratamiento térmico de 12 valores D citado arriba, empleado en la industria enlatadora para los alimentos con un bajo contenido de acido, seria excesivo e innecesario parta los alimentos ácidos. Generalmente se definen como. UN T. alimentos ácidos los que tienen un pH menor que 4.5. Los alimentos con un. bajo contenido de acido son los que tienen un pH mayor que 4,5. La Tabla 1 2 da los valores de pH de varios alimentos, además de los agentes de descomposición que se pueden encontrar en ellos, y una indicación del grado. ica. de procesamiento térmico requerido para su tratamiento, rara vez se da a los alimentos ácidos un tratamiento a 100ºC o aun mas abajo durante unos pocos. ím. minutos resulta suficiente.. Qu. Ciertas especias y sustancias químicas de los alimentos también se combinan con el calor para matar los microorganismos y así reducir el tratamiento requerido. Otro factor mas que permite el uso de tratamientos térmicos. en ier ía. menores en los alimentos ácidos es la sensibilidad del Cl. Botulinum al acido. El Cl. Botulinum no crece en alimentos cuyo pH es menor que 4,5 (aun a la temperatura del ambiente). De manera que estos alimentos, aun si no se les calentara, no representaran un peligro para la salud por lo que se refiere a la. 1.18. In g. posible presencia en ellos de este organismo muy resistente al calor. Problema de la transmisión del calor. de. Aun sabiendo, por medio de las curvas de muerte térmica, el tiempo y la temperatura requeridos para destruir determinados organismos, estamos lejos de haber encontrado un tratamiento térmico que sea seguro y digno de. a. confianza. El problema ahora es como aseguramos de que cada partícula de. ec. alimento (dentro del envase si el alimento esta envasado) reciba el tratamiento. ot. térmico requerido. El problema se convierte en uno de transmisión de calor, es. bli. decir, la penetración del calor a través de la lata o de la masa del alimento. Bi. Si se calientan las latas desde fuera, como sucede cuando se les sumerge en una autoclave, cuánto mas grandes sean esas latas, mayor será el tiempo requerido a fin de calentar el centro de cada una de ellas hasta una temperatura determinada. Empero, hay varios factores además del tamaño y la forma de la lata que afectan la penetración del calor al alimento. El principal. 29. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(44) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. de ellos es la naturaleza y consistencia de ese alimento. Esto determinara, por ejemplo, si el calor llegara hasta el centro por conducción directa o si será lata. 1.18.1 Calentamiento por conducción y convección. UN T. acelerada su transmisión mediante algún grado de conveccion dentro de la. ica. La energía del calor se propaga por conducción, conveccion y radiación. En. una autoclave como las que se emplean en la industria enlatadora, la. ím. conducción y la conveccion desempeñan papeles importantes. La conducción es el método de calentamiento en que el calor pasa de una partícula a otra. Qu. por contacto, más o menos en línea recta. En el caso de la conducción, el alimento no se mueve en la lata y no hay circulación para mezclar el alimento caliente con el frío. La conveccion, al contrario, es el método de calentamiento. en ier ía. que requiere que la masa que este calentándose este en movimiento. En la conveccion natural, la porción ya calentada del alimento se hace menos densa y sube, provocando la circulación dentro de la lata. Esta circulación acelera el aumento de la temperatura de todo el contenido de la lata. Esta circulación acelera el aumento de la temperatura de todo el contenido de la lata. La mecánicos.. In g. conveccion forzada ocurre cuando la cisrculacion es provocada por medios. de. Se entenderá fácilmente que, en un alimento liquido como el jugo de tomate, se puede provocar sin dificultad el movimiento requerido para el calentamiento por convección, y así suplementar el calentamiento por conducción que recibe. a. el alimento a través de la pared de la lata. En cambio, un alimento sólido como. ec. el picadillo de res, es demasiado viscoso para circular, de manera que será de. ot. calentado casi completo por la conducción del calor a través de la lata y de si mismo. Un producto que contiene líquido libre y solido, como una lata de peras. bli. en almíbar, es de tipo intermedio y su temperatura será aumentada por una. Bi. combinación de conducción y conveccion: la conducción a través de la fruta y la conveccion del almíbar en movimiento. El calentamiento por conveccion es mucho mas rápido que el calentamiento por conducción y, por lo tanto, no habiendo otros factores que influyen si se colocaran unas latas de los tres productos en una autoclave, se supondría que el calentamiento uniforme y 30. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.