Transmisión de Calor
(Frío – Calor)
Objetivos de su utilización
• Otorgar determinadas propiedades
•organolépticas,
•sanitarias,
•nutricionales.
• Modificar características de conservación.
• Modificar propiedades del producto durante su procesamiento
• Implica el uso controlado de la variación de la temperatura para producir determinados efectos o modificar las velocidades a las que se producen fenómenos:
•Físicos (modificación de viscosidad, calentamiento o enfriamiento, congelación, secado).
•Físico químicos (deshidratación de geles, floculaciones).
•Químicos (generación de colores, aromas, sabores, texturas).
•Biológicos (inactivación de enzimas, eliminación de microorganismos).
Para lograr determinado efecto:
• ¿Qué temperatura se requiere?
• ¿Cuánto tiempo se tarda en alcanzar la temperatura requerida?
• ¿Cuánto tiempo se la debe sostener?
• ¿Qué cantidad de energía (combustible = $) se requiere para lograr el efecto térmico?
• ¿Qué eficiencia térmica tiene el proceso?
• ¿Qué equipo puedo usar?
Formas de transmisión de calor
• Conducción.
• Convección.
• Radiación.
¿características de cada una? ¿cuándo se produce cada una de ellas?
¿ejemplos comunes de su uso en el procesamiento de alimentos?
¿útil para enfriar, calentar?
Particularidades a considerar en el flujo térmico en alimentos
• Sistemas no homogéneos en composición y características
• Pocas veces tienen una forma geométrica regular
• Habitualmente cambian sus propiedades al modificarse la temperatura
• Los fenómenos físicos, físicoquímicos, químicos y biológicos se producen simultáneamente
Leyes o expresiones que modelizan los procesos de transferencia de calor
La cantidad de calor absorbida o cedida puede utilizarse para producir
cambios o mantenimiento de temperatura
cambios de fase o de
estado (T = cte)
Q = m.c.ΔT Q =λ.m
Leyes o expresiones que modelizan los procesos de transferencia de calor
El intercambio de calor puede producirse
con temperaturas constantes en el tiempo para cada punto
del sistema, aunque estas sean diferentes
con temperaturas que varían en el
tiempo
sistema estacionario sistema transiente
Leyes o expresiones que modelizan los procesos de transferencia de calor
Transferencia de calor en estado estacionario (T cte)
Transmisión de calor por conducción
Ley de Fourier q = U.A.ΔT
U = 1 / (e/k)
Leyes o expresiones que modelizan los procesos de transferencia de calor
Transferencia de calor en estado estacionario (ΔT cte) Transmisión de calor por convección
q = h . A . ΔT
natural forzada
Nusselt (Nu) = h.D / k
Se la describe y caracteriza por medio de los siguientes números adimensionales
Prandtl (Pr) = c.µ / k
Grashoft (Gr) = D3.ρ2.g.β.ΔT / µ2 Nu = K(Pr)k.(Gr)m.(L/D)n
Leyes o expresiones que modelizan los procesos de transferencia de calor
Transferencia de calor en estado estacionario (ΔT cte) Transmisión de calor por convección: q = h . A . ΔT
Convección Figura Pr . Gr Nu
Natural Cilindro o placa vertical
104 a 109 109 a 1012
0,53.(Pr.Gr)0,25 0,12.(Pr.Gr)0,33 Cilindro o placa
horizontal
103 a 109 0,53.(Pr.Gr)0,25
Convección Figura Re Nu
Forzada Placa > 20.000 0,036.Re0,8.Pr0,33 Líquidos en
exterior de tubos
1 a 200 0,86. Re0,43.Pr0,3 Determinación de h para convección natural
Leyes o expresiones que modelizan los procesos de transferencia de calor
Transferencia de calor en estado estacionario (ΔT cte)
Transmisión combinada: U = 1 / (1/hint + (e/k) + 1/hext)
Leyes o expresiones que modelizan los procesos de transferencia de calor
Transferencia de calor en estado NO estacionario (ΔT NO cte)
Las temperaturas varían en el tiempo, siendo en los diferentes puntos que componen el cuerpo
iguales diferentes
cambio homogéneo
cambio heterogéneo
Se predice a través del nº de Biot (Bi)
Bi = h.Lc
k Lc = V A transferencia
Leyes o expresiones que modelizan los procesos de transferencia de calor
Transferencia de calor en estado NO estacionario (ΔT NO cte)
Cambio homogéneo Sistemas con:
•Bi < 0,1 – 0,2
•agitación
T2 – Ta =
T1 – Ta e
- hs . A
cp .ρ.V . t
hs = coeficiente de transferencia de superficie
T1 = Temperatura inicial del cuerpo T2 = Temperatura final del cuerpo Ta= Temperatura externa
c = calor específico del cuerpo A = superficie del cuerpo
V = volumen del cuerpo
Leyes o expresiones que modelizan los procesos de transferencia de calor
Transferencia de calor en estado NO estacionario (ΔT NO cte) Cambio heterogéneo
Sistemas con: Bi > 0,1 – 0,2
Nº de Fourier (relación entre la velocidad de la conducción de calor y la velocidad del almacenamiento de energía)
k cp .ρ α =
k
cp .ρ.L2 . t Fo =
Métodos de generación de energía
Principales fuentes de energía
Clasificación según su origen:
•Combustibles
• sólidos (carbón, madera),
• líquidos (derivados del petróleo, aceites vegetales y sus derivados, alcoholes),
• gaseosos (gases del petróleo, biogas);
• Energía eléctrica (generación térmica, hidráulica, nuclear, etc.).
• Clasificación según sea energía renovable o no renovable.
Métodos de transferencia del calor
• Transferencia indirecta: los elementos que intercambian energía no están en contacto directo, sino a través de un transmisor.
•Fluidos: vapores o gases, líquidos (agua, aceites).
• El agua tiene excelentes
características, sea líquida o vapor saturado, no así el
aire.
• El aire generalmente se utiliza en hornos de
panificación y en secaderos, transfiriendo tanto calor
como humedad
• Sólidos calefaccionados (paredes calefaccionadas por alguno de los fluidos anteriores o resistencias eléctricas envainadas) llegan a 800 ºC
Métodos de transferencia del calor
• Transferencia directa: no se utiliza un transportador de calor extra. Se utiliza en secaderos, hornos, tostadores, etc., y se realiza mediante
•contacto directo con los productos de la combustión, tal como en el caso de los hornos,
•energía infrarroja, radiadores con filamentos a temperatura media (500 - 1000 ºC) o alta (2500 ºC) emiten radiación de λ entre 0,75 y 350 μm a absorber por el material. Las
importantes están entre 1 y 50 μm (I = Io.e-ax)
•eléctricamente (exponiendo el alimento a ondas de radio, las frecuencias disponibles se limitan para evitar interferencias)
•dieléctricos, frecuencias menores a 300 MHz (27 MHz),
•por microondas, frecuencias sobre 300 MHz (897 y 2450 MHz).
Tratamientos térmicos
1. Escaldado: calentamiento rápido del alimento hasta cierta a temperatura y breve mantenimiento, con posterior enfriamiento.
Objetivos:
• Inactivación de enzimas (se sigue con desaparición de peroxidasa y catalasa)
• Limpiar materia prima
• Reducir carga microbiana
• Expulsar gases (en el envasado reduce corrosión y facilita creación de vacío en el espacio de cabeza)
• Ablanda y contrae los alimentos (en el envasado facilita el llenado)
• Mejora la textura, especialmente en deshidratados.
Métodos:
• Inmersión en agua caliente • Tratamiento con vapor
• Tratamiento con aire caliente • Tratamiento con microondas
Tratamientos térmicos
Métodos de escaldado.
El alimento atraviesa el sector con las condiciones prefijadas a velocidad controlada (longitud vs tiempo de residencia)
Escaldado por inmersión en agua caliente:
•tambor perforado que gira en agua caliente
•tubería con serpentines, previa suspensión en agua Escaldado con vapor:
•cinta de malla o tornillo helicoidal dentro de cámara de vapor Problemas e inconvenientes:
•Pérdida de materia seca
•Disminución de las vitaminas
•Necesidad de agua con características definidas
•Posible contaminación con flora termófila
•Generación de efluentes contaminantes
•Dificultad en asegurar un tratamiento térmico uniforme.
•Alteraciones del color
Tratamientos térmicos
2. Horneado: se agrupan bajo este título a aquellas operaciones de calentamiento que no se incluyen en otras específicas y se desarrollan en hornos.
• Métodos de calentamiento de los hornos
• “indirecto”, por medio de radiación procedente de resistencias o desde las paredes calientes
• directo, combinación de radiación y convección natural o forzada de una mezcla de gases de combustión y aire, adicionada algunas veces con otros gases como el vapor de agua.
• Clases de diseño de hornos
• discontinuos, con bandejas removibles,
• continuos, rotatorios horizontal o verticalmente, de raíl, de túnel.
Tratamientos térmicos
3. Cocción por extrusión: se extruye una pasta para mezclar y conformar el alimento y simultáneamente se le aplica calor de forma controlada.
• Se alcanzan presiones de 60 atm y temperaturas de 200 ºC
• El calentamiento de la pasta se produce por:
• Compresión, fuerzas de cizalla y fricción en el interior del cilindro extrusor,
• Transmisión por conducción desde resistencias eléctricas o de fluidos en una camisa del cilindro,
• Inyección de vapor en el interior del cilindro.
• Se produce deshidratación, cizallamiento, homogeinización, solubilización, plastificación, inactivación enzimática y
microbiana, orientación de componentes, moldeado, expansión y secado.
Destrucción térmica de microorganismos
Cinética de choque único
Destrucción térmica de microorganismos
Cinética de choque múltiple
Destrucción térmica de microorganismos
Influencia de la temperatura sobre la velocidad de destrucción térmica
Destrucción térmica de microorganismos
Parámetros usualmente encontrados (dependen del tamaño inicial de la población y condiciones del tratamiento, no son particularmente útiles)
tiempo térmico letal o de destrucción térmica F: tiempo
necesario para destruir los microorganismos a una temperatura determinada y bajo condiciones específicas;
coeficiente de letalidad (1/F): inversa del tiempo requerido para destruir cierto número de microorganismos a una temperatura definida y bajo condiciones específicas;
punto térmico letal: la temperatura más baja que se necesita para matar a los organismos en 10 minutos.
Destrucción térmica de microorganismos
Los parámetros generales más útiles son:
índice de reducción o valor g (también m): logaritmo decimal del número de veces que se redujo una población bacteriana
(equivale a reducir una población de 10g microorganismos hasta 1 microorganismo).
tiempo de reducción decimal o valor D: tiempo (en minutos y a una temperatura determinada) que se requiere para reducir la población viable al 10% de su valor.
constante de resistencia termal o valor z: diferencia en
temperaturas necesaria para causar una reducción de un 90% en el valor D (modificar el valor D por un factor de 10).
Destrucción térmica de microorganismos
Influencia de la temperatura sobre la velocidad de destrucción térmica
Destrucción térmica de microorganismos
Determinación de la intensidad requerida para esterilización
Destrucción térmica de microorganismos
Determinación de la intensidad requerida para esterilización
Ejemplo de un proceso con F = 4 minutos durante un tiempo de 3 minutos
Destrucción térmica de microorganismos
Determinación de la intensidad de la esterilización
Influencia del calentamiento en la calidad del producto
El deterioro depende de:
- tiempo del proceso
- temperatura del proceso - composición y
propiedades del alimento
mínimo deterioro posible de las propiedades nutritivas y sensoriales del alimento
esterilidad
comercial vs
log F
T
Zona de destrucción
Zona de
mantenimiento
Influencia del calentamiento en la calidad del producto
log F
T Cl. botulinum: Z = 10 ºC
Z = 10 ºC
Esterilidad Com
Sí Est Com, Sí Det Vit No Est Com
Sí Det Vit
No Est Com No Det Vit
Sí Est Com, No Det Vit Z = 25 ºC
Deterioro Vit
Vit. B1: Z = 25 ºC
Cambios producidos en la calidad sensorial:
Textura
Lesión de membranas celulares Pérdida de consistencia Desnaturalización de proteínas Solidez, gelificación
Gelificación del almidón Gelificación
Color
Degradación de pigmentos y vitaminas Decoloración
Reacciones de Maillard Oscurecimiento
Aroma
Pérdida de compuestos volátiles Pérdida de aroma Formación de aromas desagradables
Maillard, pirazinas Olor a quemado (o tostado) Oxidación Olor a rancio
Influencia del calentamiento en la calidad del producto
Equipo de intercambiador de placas
Equipo de intercambiador de placas
1) cambiador-regenerador de calor 2) cambiador-pasteurizador
3) cambiador-refrigerador
Diagrama de flujo del proceso UHT directo por inyección (uperización)
a envasado aséptico
Precalentamiento 75-80 ºC
Vapor Cámara 10%
expansión Inyección
150 ºC dilución 10%
válvula de desvío
a
envasado aséptico
Diagrama de flujo del proceso UHT indirecto
UHT directo
Curso térmico del proceso UHT
En los sistemas de flujo continuo el tiempo de tratamiento viene determinado por la longitud de la sección de mantenimiento.
UHT indirecto
Autoclave simple
Autoclave con
pulverización de agua
Esterilizador hidrostático continuo
Sistema abierto donde puede utilizarse vapor a presión superior a la atmosférica
equilibrándolo con presión hidrostática
Esterilizador rotatorio continuo de espiral y tambor
Congelamiento
Tiempo de congelación: tiempo transcurrido entre el momento en que la superficie del producto alcanza los 0º y el instante en que el punto crítico alcanza los -10º por debajo del inicio de la formación de hielo en ese punto.
Punto de congelación: temperatura más elevada a la cual los cristales de hielo son estables.
Congelamiento
Evolución de la temperatura en el centro térmico de un alimento
Congelamiento
Densidad de un alimento en función de la temperatura
Congelamiento
Conductividad térmica de un alimento en función de la temperatura
Congelamiento
Entalpía de un alimento en función de la temperatura
Congelamiento
Calor específico aparente de un alimento en función de temperatura
Congelamiento de un líquido y de una solución
Congelamiento
Estabilidad de una solución en función de su concentración y temperatura
Congelamiento
Crecimiento y nucleación de cristales
Congelamiento
Velocidad de nucleación
Congelamiento
Ecuación de Planck
Congelamiento
h = Coeficiente de transferencia de calor superficial
kc= Conductividad térmica del material congelado
a = Espesor de la placa a congelar t = Tiempo de congelación
l = Calor latente de fusión del material
r = Densidad
Ti -Ta = Diferencia entre
temperatura de congelación del alimento y del refrigerante
P =1/2 para placa infinita, 1/6 para una esfera, 1/4 para un cilindro infinito
R = 1/8 para placa infinita, 1/24 para esfera, 1/16 para cilindro infinito.
Congelamiento
Para P y R en geometrías tipo ladrillo o de bloque
Ecuación de Planck
Equipos para congelamiento
1. Continuos de transportador:
el producto pasa por una
cámara de congelación y puede tener trayectoria en espiral.
Congeladores por Ráfaga de Aire Los productos se colocan en
bandejas o sistemas de transporte y exponen a aire frío de alta velocidad.
2. Por lotes: las bandejas se cargan y descargan de un compartimiento de congelación. La
capacidad del sistema se establece por el tamaño del
compartimiento y el tiempo de congelación.
Congeladores en lecho fluido Hay límites para el tamaño
(densidad) del producto a congelar por la demanda de energía para generar las velocidades del aire necesarias para la fluidización
Equipos para congelamiento
Congeladores de placas
Enfrían por conducción. El producto, en general de geometría plana y de no más de 5 cm, se coloca entre placas refrigeradas a las que se presiona
hidráulicamente
Equipos para congelamiento
Congeladores criogénicos: Los fluidos utilizados son el N2 o el CO2 líquidos.
• Nitrógeno: los sistemas más modernos preenfrían el producto con el
gaseoso de la etapa siguiente, y en la sección final del equipo, realizan la inyección del spray. Los más utilizados son los equipos de cinta continua.
• Dióxido de carbono: se puede utilizar sólido, pero es difícil el contacto uniforme con el alimento. Lo usual es como líquido que se descarga a
presión atmosférica, se solidifica y cae como nieve. En general se utiliza a una temperatura de - 68 ºC, para asegurar que el gas no arrastrará nieve.
Equipos para congelamiento