Conceptos de termodinámica, transferencia de calor y transferencia de masa aplicados en la industria láctea.

Los principios de la ciencia física y ciencias fundamentales que estudian los procesos en los que se transfiere energía como calor y como trabajo así como la dinámica de fluidos y los flujos másicos son aplicados en el tratamiento y transformación de la leche. La usabilidad de estos principios se ven reflejados en el diseño de equipos, desarrollo de nuevas líneas de proceso y en la mecanización y automatización de los procesos. En est lección no ahondaremos en las temáticas propuestas por cuanto el programa de ingeniería de alimentos oferta en su plan de estudios cursos académicos dedicados a profundizar en estos temas. Sin embargo, es importante tener presente estos conceptos pues nos fortalecen en la comprensión de los fenómenos físicos que se suceden en la transformación de la leche y en el funcionamiento de los equipos utilizados en las líneas de proceso de la factoría.

16.1 Principios de termodinámica.

En la industria láctea, la mayor parte de las operaciones y procesos que se llevan a cabo, comprometen el intercambio de calor. Un ejemplo de ello es el tratamiento térmico que se da en la leche cuando se enfría en la recolección de leche cruda y cuando es pasterizada. En ambos casos, el calor o el frio intervienen como mecanismo de conservación de la leche.

El calor puede definirse como la forma de energía que se transfiere de un sistema a otro debido a una diferencia de temperatura existente entre dos sistemas. El calor pasa de una forma natural desde un cuerpo más caliente hacia un cuerpo que se encuentra a temperatura más baja.

Por su parte, la termodinámica estudia la cantidad de calor puesta en juego cuando el sistema pasa de un estado de equilibrio a otro. No se ocupa del tiempo que transcurre ni de los estados de no equilibrio y la transferencia de calor, estudia la velocidad de transferencia de calor entre dos sistemas.

Desde lo anterior, se plantea que un requisito indispensable para que haya transferencia de calor es que haya una diferencia de temperatura entre los dos sistemas. La transferencia de calor se produce desde el sistema de temperatura alta al sistema de temperatura baja. Cuanto mayor es el gradiente de temperatura mayor es la velocidad de transferencia de calor. La unidad de calor es la caloría, que estudia la cantidad de energía necesaria para variar en 1 grado Celsius la temperatura de 1 gramo de agua a 15 ºC. También se puede utilizar el julio que es igual a 0.2389 calorías.

El calor especifico C de un producto o materia se considera como una medida de la capacidad del material para almacenar calor y se define como la cantidad de calor necesaria para variar en una unidad de temperatura una unidad de peso de la sustancia por calentamiento o enfriamiento, sin que cambie su estado. El calor específico depende de cada producto, de la temperatura, del porcentaje de agua y de la presión. La unidad del calor específico es J / (kg*C): Julio /Kg * Celsius.

El calor específico puede ser a volumen constante (Cv) o a presión constante (Cp). Cp > = Cv. Para los gases ideales Cp = Cv + R; R -> Constante de Boltzman[1]. En general, los calores específicos dependen de la presión y la temperatura, sin embargo para un gas ideal sólo dependen de la temperatura. A bajas presiones los gases reales se aproximan al comportamiento ideal y, por tanto, sus calores específicos sólo dependen de la temperatura. Por ejemplo, para el aire, expresado en calorías por gramo y por grado Celsius; C.p es igual a 0.24 y C.v es igual a 0.17.

El calor específico para la industria láctea es un valor nominal que se puede calcular mediante la siguiente ecuación[2]:

C.p=1.256*%SNG+2.093*%MG+4.187*%A

En donde,

C.p=Calor específico en J/Kg ℃

SNG=Sólidos No Grasos

MG=Materia Grasa

A=Agua

Se tiene por ejemplo una leche cuya composición es: 3.8%MG, 8.5%SNG y 87.7 de agua. Calcule el C.p de la leche.

C.p=1.256*%SNG+2.093*%MG+4.187*%A

C.p=1.256*0.085+2.093*0.038+4.187*0.877

C.p=3.858 J/Kg ℃

La forma de energía que se transfiere de un sistema a otro debido a una diferencia de temperatura entre los dos sistemas de denomina CALOR.

La cantidad de calor necesaria para modificar la temperatura de un cuerpo esta dada por:

En donde,

C.p=calor latente específico en J/Kg ℃

M=masa del cuerpo en Kg

△Τ=variación de la temperatura en ℃

El calor latente es la cantidad de calor absorbida o sustraída en el cambio de estado físico de una sustancia sin que se modifique su temperatura[3]. El calor latente de fusión del hielo es de 80 calorías por gramo ó 334.880Julios/Kg. Esto quiere decir, que para convertir 1 Kg de agua a 0 ºC en hielo a 0 ºC hay que sustraer 80.000 calorías o 334.880 Julios[4].

El calor de fusión de la materia grasa de la leche es de 20 calorías por gramo ó 83.720Julios/Kg[5]. El calor latente de vaporización del agua a presión atmosférica normal es de 539,1 calorías por gramo ó 2.256.673 Julios/Kg[6].

El calor específico aparente incluye el calor específico y el calor latente. Una aplicabilidad del anterior concepto es en la fabricación de helados en donde el estado del producto va cambiando progresivamente y resulta complejo determinar la cantidad de calor que ha servido para un cambio de estado y la parte que ha servido para el enfriamiento.

16. 2 Sistemas de transmisión de calor.

La transferencia de calor siempre se produce del sistema de temperatura más elevada hacia el de temperatura más baja. La transferencia de calor se detiene cuando los dos sistemas alcanzan la misma temperatura. La energía no se transfiere de un sistema de temperatura baja a otro de temperatura más alta si no se realiza trabajo.

Los mecanismos básicos de transferencia de calor son: conducción, convección y radiación. En la industria lechera los mecanismos más utilizados son los de conducción y convección en donde intervienen las operaciones de calentamiento y enfriamiento.

16.2.1 Transmisión de calor por conducción.

La conducción es el mecanismo de transferencia de calor debido a la interacción entre partículas adyacentes del medio. No se produce movimiento macroscópico de las mismas. Puede tener lugar en sólidos, líquidos y gases aunque es característica de los sólidos, puesto que en gases y líquidos siempre se producirá convección simultáneamente.

La transmisión de calor por conducción se sucede por ejemplo, cuando se tiene un gas en el que existe un gradiente de temperaturas y no hay movimiento global. El gas ocupa todo el espacio entre dos superficies. Cuando las moléculas vecinas chocan ocurre una transferencia de energía desde las moléculas más energéticas a las menos energéticas. En presencia de un gradiente de temperaturas la transferencia de calor por conducción ocurre en el sentido de la temperatura decreciente, en dirección positiva del eje de las x como se muestra en la figura 19.

En los líquidos la situación es muy similar que en los gases, aunque las moléculas están menos espaciadas y las interacciones son más fuertes y frecuentes. En los sólidos la conducción se produce por cesión de energía entre partículas contiguas.

En un sólido no conductor la transferencia de energía ocurre solamente por vibraciones reticulares, en cambio en los sólidos conductores se debe también al movimiento de traslación de los electrones libres. En la conducción macroscópicamente no involucra transporte de materia.

Figura 19. Transferencia de calor por conducción.

Fuente: Documento sobre energía solar, tema Transferencia de calor. Disponible en: http://www.ing.unrc.edu.ar/materias/energia_solar/archivos/teoricos/teorico_conduccion.pdf. Consultado octubre 2011.

La transferencia de calor por conducción sigue la ecuación conocida como la primera ley de Fourier.

La ley de Fourier sigue la siguiente ecuación[7]:

Q = – k A dT/ dx

En donde,

Q es el calor transmitido por conducción proporcional al gradiente de temperatura dT dx. Expresado en W.

K Es la conductividad térmica en W/m ºC

dT/ dx es el gradiente de temperatura en ºC/m en la dirección del flujo del calor x

A es el área transversal de transferencia en m²

De acuerdo al segundo principio de la Termodinámica, el calor debe fluir hacia la zona de temperatura más baja. Entonces, el gradiente de temperaturas es negativo si la temperatura disminuye para valores crecientes de x, por lo que si el calor transferido en la dirección positiva debe ser una magnitud positiva, en el segundo miembro de la ecuación anterior hay que introducir un signo negativo[8].

Cuando se tienen capas sucesivas de distintos materiales como por ejemplo en la pared de un frigorífico, la transmisión de calor Q es[9]:

Q = A (T₁ «“ Tâ‚‚)/ L₁/K₁ + Lâ‚‚/Kâ‚‚ + Lᶾ/Kᶾ.

En donde, L₁, Lâ‚‚, Lᶾ corresponden al espesor de cada uno de los materiales y K₁, Kâ‚‚, Kᶾ corresponde a la respectiva conductividad térmica. Se tiene que cuanto mayor es el término L/K menor es la transmisión de calor y viceversa.

Para el caso de tuberías, la ecuación anterior es modificada por cuanto las superficies a través de las cuales se transmite el calor son variables. En ese sentido, se utiliza la siguiente ecuación[10]:

Q = 2 ΠL (T₁ «“ Tâ‚‚) / [Ln (Dâ‚‚/D₁) /K₁ + Ln (Dᶾ/Dâ‚‚) /Kâ‚‚ + Ln (D4/Dᶾ)/Kᶾ]

En donde, L es igual a la longitud del tubo, D₁, Dâ‚‚, Dᶾ y D4 corresponden al diámetro de los tubos en orden creciente y T₁ «“ Tâ‚‚ es la caída de temperatura desde el centro hacia el exterior del tubo.

16.2.2 Transmisión de calor por convección.

En la transmisión por convección se transfiere la energía entre una superficie sólida y el fluido adyacente (líquido o gas). Comprende los efectos combinados de la conducción y el movimiento del fluido. Existe movimiento macroscópico de las partículas del fluido. Cuanto más rápido es el movimiento del fluido mayor es la transferencia de calor por convección. En ausencia de dicho movimiento la transferencia de calor entre una superficie sólida y el fluido adyacente sería por conducción pura.

Puede darse convección forzada y natural. La convección forzada ocurre cuando el fluido es forzado a fluir sobre la superficie mediante medios artificiales como ventiladores y bombas por ejemplo. La convección natural ocurre movimiento del fluido debido a causas naturales. Las fuerzas de empuje son inducidas son inducidas por la diferencia de densidad debida a la variación de temperatura en ese fluido. En contraposición con la conducción, la convección implica transporte de energía y de materia, por lo tanto, esta forma de transmisión de calor es posible solamente en los fluidos y es además característica de ellos.

La ecuación que describe este tipo de transmisión de calor se rige por la ley de enfriamiento de Newton.[11]

Q = h A (Ts «“ Tm),

En donde,

h = Coeficiente de transmisión de calor por convección en W/m² ºC

A = Área de la superficie de transferencia

Ts = Temperatura en la superficie del sólido

Tm = Temperatura media del fluido.

El coeficiente de transmisión de calor por convección forzada depende, en general, de la densidad, de la viscosidad y de la velocidad del fluido, así como de sus propiedades térmicas (conductividad térmica y calor específico) y la velocidad viene impuesta al sistema por una bomba, ventilador, etc, y se puede medir directamente.

El coeficiente de transferencia de calor en la convección natural depende de la diferencia de temperaturas entre la superficie y el fluido, del coeficiente de dilatación térmica del fluido que determina el cambio de densidad por unidad de diferencia de temperatura y del campo de fuerzas exteriores que; que en general, corresponde a la gravedad

16.2.3 Transmisión de calor Mixta.

En la industria lechera sucede en la mayoría de los casos transmisión de calor mixta; es decir, por conducción y por convección; los cuales ocurren en paralelo pero no de manera simultánea. Un ejemplo de lo anterior, es la refrigeración de la leche utilizando un intercambiador de calor. En ese caso, hay transferencia de calor por convección entre el agua que enfría y la leche que es enfriada y transferencia por conducción a través de la pared de las placas que separa la leche del agua. Lo anterior se comprenderá de mejor manera cuando se revise el tratamiento térmico aplicado a la leche en la pasterización.

En la transferencia de calor mixta a través de capas sucesivas, la ecuación a aplicar es[12]:

Q=U A ∆T

En donde,

U=Coeficiente global de transmisión de calor en W/m² ºC

Se tiene que en un sistema de transferencia de calor a través de varios componentes con igual superficie como por ejemplo, cámaras frías, la ecuación es[13]:

1/U= 1/(h int)+ L1/K1+L2/K2+L3/K3+ 1/(h ext)

En donde,

h int.=coeficiente de transmisión de calor por convección en el interior de la cámara

h ext.=coeficiente de trasmisión de calor por convección en el exterior de la cámara

L1/K1,L2/K2 y L3/K3=espesor y conductividad térmica de los materiales que componen y aislan la cámara

Ejemplo:

Calcular las pérdidas de calor que se producen a través de las paredes de una cámara de refrigeración. Se tiene:

1. el h del aire es 6 + 4V

2. Velocidad en m/s

V en la cámara: 1.5m/s

V en el exterior: 6m/s

3. Las paredes están constituidas por los siguientes materiales:

-En el interior de la cámara ladrillos de cemento de espesor L₁ = 0.20m y de conductividad K₁ = 0.9 W/m ºC

-En el exterior, ladrillos de Lâ‚‚ = 0.10m de espesor y de Kâ‚‚ = 0.7 W/m ºC

-En el medio se tiene espuma de poliuretano de Lᶾ 0.10m y Kᶾ = 0.025 W/m ºC

4. temperatura del aire en la cámara de refrigeración es de 0 ºC y temperatura media del aire exterior es de 20 ºC

Resolución:

Se calcula el coeficiente global de transmisión de calor en W/m² ºC:

1/U= 1/(h int)+ L1/K1+L2/K2+L3/K3+ 1/(h ext)

1/U= 1/(6+4+1.5)+ 0.20/0.9+ 0.1/0.7+ 0.1/0.025+1/6

U=0.217 W /m² ºC

Ahora, si la temperatura del aire en la cámara de refrigeración es de 0 ºC y la temperatura media del aire exterior es de 20 ºC, la trasmisión de calor es:

Utilizamos la ecuación para capas sucesivas:

Q=U A ∆T

Q/A=0.217 (20-0)

Q/A=4.33W/m²

16. 3 Balance de energía

El balance de energía, es necesario para calcular el consumo energético que se necesita en la elaboración de un producto y para controlar las pérdidas de energía. Se calculan de la misma manera que el balance de materia; en el sentido de interpretar que la cantidad de calor que entra es igual a la cantidad de calor que sale más el calor acumulado en el producto.

Se tiene que para calentar o enfriar un producto lácteo (por ejemplo en la pasterización de leche) la cantidad de energía que se necesita para la operación viene dada por la siguiente ecuación:

Q=M C.p ∆Τ

En donde,

Q=trasmiión de calor en W,1watt equivale a 1julio/s

M=masa que fluye en Kg

∆Τ=diferencia de temperatura en el producto

C.p=Calor específico

Ejemplo:

Calcular la cantidad de calor necesaria para calentar de 4 ºC a 73 ºC una leche con el 4% de MG y para después enfriarla de 73 ºC a 8 ºC. La leche circula a un flujo de 3.000Kg/h.

Resolución:

El calentamiento:

Q=M C.p ∆Τ

Q= 3.000/3.600*3.845 (73-4)

Q=221.07,5 watts

Para el enfriamiento se debe sustraer:

Q=M C.p ∆Τ

Q= 3.000/3.600*3.845 (73-8)

Q=208.270,83 watts

Si se utiliza la leche a 4 ºC para refrigerar la leche caliente, habrá un equilibrio entre la cantidad de calor cedida por la leche caliente y la cantidad de calor absorbida por la leche fría que permite conocer la temperatura de la leche fría después del precalentamiento.

208.270,83=(3.000 )/3.600*3.845 (T-4)

T=60℃

Lo anterior, indica que si se utiliza la leche fría para refrigerar la leche pasterizada, se puede pre calentar la leche fría hasta 69 ºC (es necesario recordar que la pasterización de la leche se lleva a cabo en un pasterizador de placas que trabaja en los dos cuerpos interiores con intercambio de calor de la leche que ingresa al equipo y la que sale de él. Ver más adelante en funcionamiento de pasterizador de placas lección 19.2.2) sin contar las pérdidas del sistema que generalmente son del 10 al 15%.

Si se toman pérdidas del 15%:

208.270,83*0.85= 3.000/3.600*3.845 (T-4)

T=59℃

Entonces, si la leche al precalentarse alcanza una temperatura de 59 ºC, el ahorro de energía será de:

Q= 208.270,83*0.85

Q=177Kw

Ejemplo de balance de energía para elaboración de queso fresco:

Se tiene que una procesadora de queso fresco no prensado. Se procesan diariamente 500 lt de leche y el tiempo que tarda en subir la temperatura es de 1h. Para el procesamiento del queso se realiza pasterización de la leche utilizando el método de pasterización lenta en una marmita de doble camisa. La leche ingresa a la marmita con una temperatura de 8 ºC, se lleva a una temperatura de 65 ºC y se retiene durante 30 minutos; luego se ajusta la temperatura a 35 ºC para adición del cuajo y continuar con el proceso de elaboración de queso fresco no prensado.

Plantear los balances de energía que permitan establecer la cantidad de calor necesaria para llevar a cabo la pasterización lenta y el ajuste de temperatura:

Resolución:

Parámetros técnicos del proceso

Valor

Temperatura inicial de la leche

8 ºC

Temperatura final de la leche Pasterización

65 ºC

tiempo de retención de temperatura

30 minutos

Temperatura de ajuste

35 ºC

densidad de la leche

1.030 g/ml

Kg de leche que ingresan

515Kg

% MG

3.4%

Cp de la leche

3.984 J/Kg °C

De acuerdo al rendimiento quesero; se tiene que ingresan a la marmita 500lt de leche y se obtienen:

Peso de la leche = densidad * volumen

Peso de la leche = 1.030Kg/lt * 500lt

Peso de la leche = 515Kg.

Primer calentamiento de la leche:

Q=m C.p* ∆Τ

Q=515/3600*3.894(65-8)

Q=31.752,33watts

Q para el ajuste de temperatura:

Q=m C.p* ∆Τ

Q= 515/3600*3.894 (65-35)

Q=16.711,75watts

Qtotal hasta coagulación:31.752,33+16.711,75

Qtotal=48.464,,08watts

16.3.1 Calentamiento de gases

El aire es ampliamente utilizado en la industria láctea; especialmente en la pulverización de leche. También es necesario purificarse el aire de las cámaras de refrigeración o de las torres de secado o renovarse el aire de la fábrica y todo esto supone un gasto energético. Para tal efecto se tiene en cuenta el C.p del aire: 1.010J/Kg ºC[14].

Ejemplo:

Una torre de secado es utilizada para la pulverización de leche. Se pide calcular el calor necesario para calentar el aire que se utiliza para el secado de la leche por atomización. El flujo de aire es de 20.000Kg/h y la temperatura de trabajo inicia en 15 ºC y finaliza en 250 ºC. La torre de secado es operada durante un turno de trabajo de 8horas al día.

Q=m C.p (∆T)

Q= 20.000/3.600*1.010 (250-15)

Q=1.318.611watts

Como la torre de secado opera 8h en el día se tiene:

Q= 1.318.611/1000*8

Q=10.548,8Kwh

Ejemplo

El aire circundante de la zona de producción de leche UHT de la factoría es de 10.000mᶟ y se renueva tres veces cada hora. El turno de producción es de 8h al día. Se determinado en un lapso de 6 meses que la temperatura exterior media es de 8 ºC y la interior de 20 ºC. La masa volúmica del aire es de 1.3Kg/mᶟ.

Calcular:

– volumen y masa de aire renovado por segundo.

-Pérdidas de energía

-Consumo durante 6 meses.

Resolución:

-volumen de aire renovado

V=10.000/3.600*3

V=8.33mᶟ/s

-masa de aire renovada

M=8.33mᶟ/s 1.3Kg/m3

M=10,83Kg/s

-Pérdidas de energía

Q=m C.p (∆T)

Q=10.83*1.010 (20-8)

Q=131.259,6watts

-Consumo durante 6 meses.

6 meses equivalen a 180días y el turno de operación es de 8h/día.

Q= (131.259,6*8*180)/1.000

Q=189.013,8Kw/h

16.3.2 Producción de vapor

El vapor es la fuente de energía más utilizada en la industria lechera. Con él se llevan a cabo las operaciones de lavado de cantinas, los procesos de pasterización, esterilización, leches concentradas y en general varias de las operaciones de la factoría.

El vapor resulta de la evaporación del agua cuando se le suministra calor. A presión normal el punto de ebullición normal es de 100 ºC y su calor latente de vaporización es de 2.257Kilojulios/Kg[15]. Si a la misma presión se le añade más calor la presión aumenta según el calor especifico del vapor y toda esa energía queda disponible para los intercambios de calor que se dan en los procesos tecnológicos.

Para generar vapor se utiliza la caldera; en donde, el vapor es generado porque se da una transferencia de calor a presión constante, en el cual hay un cambio de estado de líquido pasando a vapor. En el mercado hay varios tipos de calderas de acuerdo a las temperaturas y presiones finales, tipo de energía calorífica disponible y volumen de producción de vapor.

Las calderas pueden ser dependiendo de la circulación de agua y gases: humotubulares en donde el agua circula por el exterior de los tubos y acuotubulares; en donde el agua circula por el interior de los tubos. Lo importante en las calderas es que estas produzcan vapor a presión constante y seco y que también; los gases de salida sean lo más limpios posibles y con el menor exceso de aire.

En cuanto al mantenimiento de la caldera, es importante verificar la calidad del agua pues si se utilizan aguas duras puede provocar incrustaciones lo que lleva a un desgaste del equipo en las paredes de la caldera

Figura 20: Esquema de una caldera

Fuente: Berkes. Ingeniería. Disponible en: http://www.uruman.org/4to_congreso_docs/trabajos_tecnicos/Adicionales/Barreto.pdf

Figura 21. Caldera industrial y vista interior del equipamiento de una caldera industrial.

Fuente: Agencia chilena de eficiencia energética. Disponible en: http://williamteneda.wikispaces.com/file/generadoresdevapor. Consultado octubre 2011.

La capacidad de una caldera está determinada por la cantidad de agua que puede evaporar y por la energía necesaria para realizar este trabajo. La unidad internacional es el kilowatt que corresponde a la evaporación de 1.59Kg/h de agua a 100 ºC ó . La eficacia E de una caldera es la medida de la utilización de la energía disponible en el combustible en relación a la cantidad de vapor producido.

E= ((calor total de vapor)- (calor en el agua de alimentación))/(calor disponible en la cantidad de combustible consumido)

Ejemplo.

Se quieren pasterizar 15.000lt/h de leche de 3.5%MG. Cuya temperatura inicial es de 4 ºC y se llevará hasta 72 ºC. Para esto se utiliza un intercambiador de calor que tiene una eficacia del 85% en donde los condensados salen a 75 ºC. Se pregunta qué cantidad de vapor seco del 95% a una presión de 1.120kPa es necesaria para efectuar el calentamiento?

* Cantidad de calor necesaria

Q=m C.p (∆T)

Q=15.000*1.03Kg/l*3.894J/Kg℃* (72-4)℃

Q= 4,1*〖10〗^6 kJ/h

(4.1*〖10〗^6)/0.85=4.8*〖10〗^6 kJ/h

* Cantidad de vapor seco del 95%

– Calor en el vapor:

Calor latente = 1.994,8kJ/kg. * 0.95

Calor latente = 1.895,18kJ/kg

Calor especifico del agua a 185 ºC = 784,4kJ/kg

Calor total = 1.895,18kJ/kg + 784,4kJ/kg

Calor total en el vapor = 2.679,5 kJ/kg

– calor del condensado:

(75 -0) ºC * 4.187J/kg ºC = 314kJ/kg

– Calor aportado por el vapor: Calor total en el vapor – calor del condensado

Calor aportado por el vapor: 2.679,5 kJ/kg – 314kJ/kg = 2365,5kJ/kg

Con los datos anteriores, calculamos la cantidad de vapor necesaria:

(4.8*〖10〗^6 kJ/h)/(2365,5kJ/kg)=20.346,6kg/h

16.3.3 Producción de frio

La refrigeración basa su fundamente en poner en contacto la sustancia a refrigerar con una más fría pues la transferencia de calor se produce casi siempre desde un cuerpo más caliente a otro que se encuentre frio ó más frio. Para refrigerar se utiliza hielo e incluso se usa como unidad de medida por el sistema imperial de medidas.[16] En este sistema, la tonelada de refrigeración se define como el enfriamiento que realiza una tonelada de hielo cuando funde a 0 ºC durante 24 horas[17]. En el sistema internacional la unidad de medida es el kilowatt y se tiene que una (1) tonelada de refrigeración es igual a 3,517kW.

El banco de hielo puede operar de las siguientes formas:

1. Un fluido refrigerante circula dentro de la tubería de flujo de agua, al reducir la temperatura se forma hielo en las paredes exteriores de los tubos. Una vez que se activa la bomba del agua para que esta fluya por la tubería se produce un choque térmico, la temperatura comparativamente más alta del agua que fluye provoca el derretimiento del hielo formado en las paredes exteriores, lo que da como resultado el enfriamiento del agua.

2. El agente refrigerante permanece estático y no se produce el derretimiento del hielo ni el proceso de enfriamiento hasta que el agua comienza a circular por la tubería.

Los agentes refrigerantes más utilizados son:

*Amoniaco: Es el refrigerante por excelencia, es el menos costoso. Sin embargo es un producto bastante peligroso que requiere de vigilancia permanente.

*Freón: Es más costoso que el amoniaco pero también es menos peligroso que el amoniaco y el manejo no requiere de tanto cuidado.

*Propilen «“ glicol: Se caracteriza por tener un punto de fusión bajo y un punto de ebullición alto. Es bastante utilizado cuando se van a enfriar alimentos que se encuentran en cámaras de refrigeración y se aplica directamente al alimento.

*Salmueras: Se utiliza una mezcla de agua y sal. Este refrigerante se utiliza en la congelación de paletas de agua sin adición de leche y crema.

Figura 22: Vista interior y exterior de un banco de hielo.

Fuente: QuimiNet. Disponible en: http://www.quiminet.com/articulos/bancos-de-hielo-funcionamiento-y-ventajas-2652889.htm.

Ejemplo.

Se tienen 10.000lt de leche que están siendo pasterizados a 72 ºC. La temperatura final de salida de la leche del equipo es de 4 ºC. ¿Qué cantidad de hielo es necesaria para enfriar los 10.000lts de leche si se utiliza agua fría a 2 ºC y el pasterizador tiene una eficacia del 85%?

1. Calor que se va a sustraer de la leche:

Q=m C.p (∆T)

Q=10.000l*1.030Kg/l*3.894 (72-4)kJ/kg ºC

Q=2.7*〖10〗^(7 ) kJ

2. Calor que absorbe el agua fría teniendo en cuenta la eficacia del 85%

Q= (2.7*〖10〗^(7 ) )/0.85=3.2* 〖10〗^7 kJ

Calor absorbido por kilogramo de hielo: calor latente + calor especifico:

Calor latente: 334.880kJ/kg

Calor especifico: (2 «“ 0) ºC * 4.187J/kg ºC = 8,374kJ/kg

Calor absorbido por kilogramo de hielo = 334.880kJ/kg + 8,374kJ/kg

Calor absorbido por kilogramo de hielo = 343,25kJ/kg

La cantidad de hielo necesaria para enfriar:

Calor a absorber por el agua fría/calor absorbido por kg. De hielo

=3.2*〖10〗^7/343,25=

= 93.226kg.

Cuando se desean establecer las necesidades de frio de los productos, es necesario tener en cuenta las características de los mismos. En ese sentido, el calor específico y la viscosidad del alimento influyen en el enfriamiento; como también el extracto seco y la temperatura inicial del producto lácteo en este caso. Al respecto; al disminuir la temperatura se tiene que la viscosidad aumenta, los glóbulos grasos tienden a solidificarse lo que traduce por ejemplo, en un intercambio de calor más lento además porque tiende a formarse una película de materas sólidas sobre las paredes del intercambiador.

16.4 Tubería, accesorios y bombas utilizadas en planta de procesamiento productos lácteos.

La tubería es el medio de conducción de os líquidos, en este caso leche, yogur y agua principalmente en las plantas lecheras. A través de las tuberías se articulan equipos y tanques de almacenamiento de leche. A su vez, las tuberías requieren en algunos casos de conexiones a través de llaves, válvulas, abrazaderas etc. Los cuales en conjunto se convierten en los accesorios. Las bombas sirven para impulsar la movilización de líquidos cuando no se cuenta con pendientes o cuando hay contrapresión.

El material más usado en el diseño de tuberías, accesorios y bombas en la industria de alimentos es el acero inoxidable y en algunos casos aleaciones de metales especiales que utilizan el bronce estañado o el aluminio, vidrio termo resistente y plástico.

16.4.1 Tubería.

En las tuberías lo importante es la determinación del caudal; el cual depende de la velocidad de corriente y el diámetro de la conducción y de esto depende que el movimiento de los líquidos en el interior de la tubería sea laminar, turbulento o inestable.

El flujo laminar se da cuando las partículas del líquido se desplazan paralelamente a las paredes de conducción y su velocidad es relativamente baja. En el flujo turbulento, los líquidos siguen trayectorias irregulares y se ocasiona una continua agitación y mezcla del líquido en el interior. El tipo de circulación en el sentido de si es flujo laminar o turbulento lo da el número de Reynolds (Re).

El número de Reynolds se expresa[18]:

Re= (νρL)/η en donde,

v= velocidad

ρ= densidad

L = longitud del objeto

η = viscosidad

Se tiene que sí el número de Reynolds es inferior a 2100 el flujo es laminar y si los valores están entre 2100 y 3.000 el flujo es inestable y si es mayor a 3.000 es turbulento.

16.4.2. Accesorios.

Los accesorios son los que permiten unir tramos de tubería, mangueras para descarga de leche, cerrar el paso o desviar la corriente de los fluidos etc. Reemplazan las soldaduras las cuales se convierten en foco de contaminación. Dentro de los accesorios se encuentran las válvulas las cuales pueden ser manuales (llaves) y automáticas.

Las válvulas manuales y automáticas que a su vez pueden ser de llaves de paso de dos, tres vías y reguladoras de cierre o alternantes. La utilidad de las válvulas en las fabricas de alimentos sirven para regular la presión y el caudal. Cerrar el flujo en caso de una sobre velocidad, protección a sobre presiones, prevención al retorno de fluidos y para abrir y cerrar el paso de los fluidos.

Figura 23. Válvulas manuales: Válvula de bola y válvula mariposa

Fuente: EVOGUARD. LTDA. Accesorios para la industria de alimentos. Disponible en: http://www.krones.com/downloads/EvoGuard_s.pdf. Consultado octubre. 2011

Figura 24. Válvulas automáticas.

Fuente: EVOGUARD. LTDA. Accesorios para la industria de alimentos. Disponible en: http://www.krones.com/downloads/EvoGuard_s.pdf. Consultado octubre. 2011

Se tienen las piezas roscadas y los codos que sirven de acople y de unión de tuberías y las piezas en T las cuales se utilizan en las desviaciones de las tuberías. En la siguiente imagen se observan algunos de los accesorios como: roscas, abrazaderas, férulas cortas y largas, piezas en T (llamadas TEE CLAMP), tapones CLAMP y visores.

Figura 25: Accesorios empleadas en los montajes líneas de proceso industria láctea.

Fuente: Ferreinoxidables e inversiones Ltda. Disponible en: http://www.ferreinoxidables.com/productos/Scripts/default.asp. Consultado octubre 2011

16.4.3. Bombas

La selección del tipo de bomba depende de la clase de líquido que se desea impulsar y del rendimiento que se quiere obtener de ella. Para la leche se utilizan generalmente bombas centrifugas y volumétricas. Las bombas en la industria de alimentos deben ser fácilmente desmontables y con facilidad de realizar la limpieza y desinfección de la misma.

En la bomba centrifuga, el producto llega al centro del rotor que gira a una velocidad de rotación alta. Las bombas centrifugas proporcionan caudal elevado y regular; es fácilmente acoplable a un motor. Sin embargo, este tipo de bombas no son de arranque automático y requiere de cebarlas (colocarlas inicialmente con el líquido por debajo del nivel a bombear). También tienen la tendencia a incorporar a batir la leche lo que puede provocar incorporación de aire no deseado.

Figura 26: Bomba centrifuga utilizada en industrias alimenticias

Fuente: Empresa Waukesha Cherry-Burrell. Disponible: http://www.gowcb.com/products/pumps/PDF/fh-1702S_200centp_spn_wcb.pdf. Consultado octubre 2011.

Las bombas volumétricas se caracterizan porque el volumen en variable dependiendo de la succión y expulsión del líquido. Tienen arranque automático, desarrollan presiones elevadas y el rendimiento es independiente a flujo.