Unidad I Sección 4 FLUJO DE FLUIDOS

OPAGRO II: UNIDAD 2

Operaciones unitarias con eliminación de calor MEng. Helia Taleno

REFRIGERACIÓN Contenido: •Concepto de Refrigeración •Atmósferas Controladas •Enfriamiento de Alimentos en Estado no Estacionario •Sistemas de refrigeración •Agentes refrigerantes (criogénicos)

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Refrigeración Conceptos Generales • Algunas operaciones para la preservación de los alimentos: • Deshidratación • Fermentación Aplicación de bajas temperaturas o • Pasteurización enfriamiento • Esterilización (denominado también “aplicación de frío”)

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Temperaturas bajas El efecto de las temperaturas bajas: • retardo de las reacciones químicas retardo o inhibición del crecimiento de los microorganismos o de las enzimas presentes en los alimentos. • Existe proporcionalidad entre la disminución de temperatura, la disminución de los microorganismos y su multiplicación. • Cuanto más baja sea la temperatura, más lentas serán las reacciones químicas, la actividad enzimática y la multiplicación de los microorganismos.

Refrigeración Conceptos Generales Aplicaciones de baja temperatura: •Refrigeración •Congelación

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La refrigeración y la congelación • La diferencia esencial entre ambos métodos de conservación: distintas temperaturas y formación de cristales de hielo en los productos congelados.

Refrigeración • Consiste en conservar los alimentos a temperaturas superiores a las de la congelación. • Es una técnica de conservación basada en las propiedades del frío para impedir la acción de ciertas enzimas y el desarrollo de microbios. • Se aplica a frutas, verduras, carnes, leche fresca, productos marinos, alimentos enlatados que han sufrido un tratamiento térmico poco drástico y productos elaborados.

• Mantiene el alimento por debajo de la temperatura de multiplicación bacteriana. (entre 2 y 5 ºC en frigoríficos industriales, y entre 8 y 15ºC en frigoríficos domésticos.) • Conserva el alimento sólo a corto plazo, ya que la humedad favorece la proliferación de hongos y bacterias.

Refrigeración Conceptos Generales • Refrigeración: Reducción de la temperatura por debajo del mínimo para el crecimiento bacteriano.

• ¿Qué se logra evitando el crecimiento bacteriano? La prolongación de la vida útil de los alimentos. 3/4/2015

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Refrigeración Conceptos Generales ¿Cómo

se evita el crecimiento bacteriano?

Las bajas temperaturas inhiben la capacidad reproductiva de las bacterias, retardándose así su proliferación.

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Refrigeración Conceptos Generales

Refrigeración es la operación unitaria mediante la cual la temperatura se mantiene entre -1 y 10°C.

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Refrigeración Conceptos Generales Algunos rangos de refrigeración: (-1 a 1°C) (0 a 5 °C) (0 a 8°C)

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Filetes de pescado, carnes, embutidos. Carnes enlatadas pasteurizadas, leche, yogur, ensaladas, masas para panadería, pizza, etc. Carnes cocidas, carnes curadas, quesos duros, frutas blandas, etc.

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Refrigeración Conceptos Generales Los microorganismos se clasifican de acuerdo al rango de temperatura en el cual son capaces de crecer. Termófilos

35 - 55 °C

Mesofílicos

10 - 40 °C

Psicrofílicos -5 - 15 °C

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La refrigeración evita su crecimiento No patógenos

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Enfriamiento • Según el tipo de producto que se vaya a refrigerar, en esta operación existe una primera fase de enfriamiento inicial, anterior a la refrigeración. • Este enfriamiento, que debe ser lo mas rápido posible, ocurre en los productos cárnicos (canales)

Enfriamiento

• La carne de cerdo, de vacuno, de ovino, de ternera y de cordero se enfría en salas de oreo , en las que hay temperaturas que oscilan entre -4ºc y 0ºc. • La carne de aves y de pescado se enfrían por inmersión en agua con hielo. • Para prolongar al máximo la vida en el almacén, manteniendo una calidad aceptable, se deben optimizar todas las variables que se incluyen en la refrigeración: carga microbiana original, las condiciones de temperatura y de humedad, la presencia o ausencia de envolturas protectoras, la especie animal, el tamaño de la pieza y el tipo de producto.

Refrigeración Conceptos Generales Atmósfera de conservación

La atmósfera en la cual se encuentra almacenado un producto alimenticio tiene influencia en su conservación.

La conservación mediante refrigeración es más efectiva si la composición del ambiente de la cámara de almacenamiento es variada convenientemente. 3/4/2015

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Refrigeración Conceptos Generales Cambio de la composición de la atmósfera de almacenamiento Almacenamiento en atmósfera controlada: Control y reducción de la concentración de O2 y aumento de la concentración de C O2. Almacenamiento en atmósferas modificadas: Modificación por la respiración de los alimentos. Envasado en atmósferas modificadas: Modificación de la composición gaseosa dentro del envase, una vez envasado el producto. 3/4/2015

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Refrigeración Conceptos Generales Relación de crecimiento de bacterias con el tiempo en la leche a diferentes temperaturas

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15.5°C

10°C QuickTime™ and a TIFF (Uncompressed) decompressor are needed to see this picture.

4.5°C

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Refrigeración Conceptos Generales Factores que influyen sobre la vida útil de los vegetales frescos •Tipo de vegetal •Parte a consumirse •Condiciones de recolección •Temperatura de transporte y exhibición •Humedad relativa de almacenamiento 3/4/2015

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Humedad Relativa 

Altos contenidos de agua en el aire propician el desarrollo de microorganismos alterantes.



Humedades muy bajas determinan pérdidas de peso en el alimento.



Se recomienda 85-90 % HR para evitar pérdidas de peso en vegetales.

Refrigeración Conceptos Generales Factores que influyen sobre la vida útil de un alimento procesado •Tipo de alimento •Intensidad del efecto del procesamiento sobre los microorganismos •Condiciones de higiene de elaboración y envasado •Temperatura de almacenamiento y distribución •Humedad relativa de almacenamiento 3/4/2015

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Consumo de oxígeno

Refrigeración Conceptos Generales I. Frutos climatéricos manzana aguacate banano mango

I II

2

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Días 3/4/2015

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II. Frutos no climatéricos cereza uva limón piña 21

Temperaturas de almacenamiento recomendadas para frutas y vegetales

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Refrigeración Conceptos Generales Calor de respiración:

Los productos alimenticios desprenden una determinada cantidad de energía como calor debido a su actividad respiratoria

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Refrigeración Conceptos Generales

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Refrigeración Conceptos Generales

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Refrigeración Cálculo del tiempo de refrigeración .

Para calcular los tiempos de refrigeración hasta una temperatura determinada se hacen las siguientes consideraciones: • •

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La refrigeración ocurre en estado no estacionario. Se hacen simplificaciones asumiendo que no hay generación de energía (actividad respiratoria). 26

Refrigeración Cálculo del tiempo de refrigeración Transferencia de Calor en Estado no Estacionario

Ts  T Y Ts  T0

1 2k  Bi hl

4t Fo  2 l

2x  l

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Y=Y(1/Bi, Fo,) 3/4/2015

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Refrigeración Cálculo del tiempo de refrigeración Ejemplo: En un frigorífico en el cual se genera un coeficiente de transferencia de calor de 16 W/m2K se enfrían fresas, recién recogidas, de 2 cm de diámetro desde 18 a 7°C. Seguidamente y antes de su procesado, se mantienen en un frigorífico a -2°C durante 12 horas. El almacén que mide 3 m de altura y 100 m2 de área contiene un promedio de 2.5 ton de producto. Las paredes y el techo están aislados con una capa de 300 mm de espuma de poliuretano y el suelo está constituido por 450 mm de hormigón. La temperatura ambiente es de 12°C y la del suelo de 9°C. En él trabaja unos 45 minutos al día, transportando recipientes con producto un operario que enchufa 4 luces de 100 W. Cada recipiente pesa 50 kg. Calcúlese el tiempo necesario para la refrigeración de las fresas y determínese si una planta de refrigeración con una potencia de 5 kW será suficiente. Coductividad térmica de las fresas: 0.127 J/m.K; la del aislante: 0.026; del hormigón: 0.87. Capacidad calorífica de las fresas: 3.778 J/kg K; de los envases: 480. Densidad de las fresas: 1.050 kg/m3 . Calor desarrollado por el operario: 240 W y calor de respiración de las fresas (promedio):0.275 J/kg s 3/4/2015

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Refrigeración Cálculo del tiempo de refrigeración 1 2k 0.127    0.79 Bi hl 16  0.01

Ts  T 7  (2) Y   0.45 Ts  T0 18  (2)

2x  0 l 3/4/2015

4t Fo  2  0.38 l

t=1,187 s = 19.8 min 29

Cálculo gráfico del número de Fourier para esferas 0.79 0.45

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0.38

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Refrigeración Determinación de la suficiencia de la planta de refrigeración

Balance de energía Carga total

Calor producido por luces y operarios 3/4/2015

=

Calor de respiración

+

Pérdidas calóricas a través de las paredes

+

+

Calor sensible de + los envases Pérdidas calóricas a través del suelo 31

Refrigeración Determinación de la suficiencia de la planta de refrigeración Calor de respiración: 2500(0.275) = 687.5 W Calor a eliminar en los envases: 10(50)(480(18-7) = 61 W

Calor de luces y operarios:(240+4*100)(45*60)/24*3600 = 20 W Pérdidas por paredes y techo:0.026*220[12-(-2)]/0.3 = 267 W Pérdidas por el suelo: 0.87*100[9-(-2)] = 2127 W Carga total = 3162.5 W = 3.2 kW 3/4/2015

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Refrigeración Determinación de la suficiencia de la planta de refrigeración

Carga total = 3.2 kW < Potencia disponible La planta es aceptable

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Refrigeración Ciclos de refrigeración

Sustancias refrigerantes:

Son aquellas sustancias capaces de absorber calor por cambio de fase. Amoníaco Freones (e.g. freón 12 - dicloro-difluoro-metano)

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Refrigeración Ciclos de refrigeración Diagrama Presión-entalpía de un ciclo de refrigeración

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Diagrama Presiónentalpía para el amoníaco

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Diagrama Presiónentalpía para el freón-12

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Diagrama Presiónentalpía para el freón-22

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Refrigeración Ciclos de refrigeración

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Un sistema de enfrimiento de leche

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Refrigeración Ciclos de refrigeración Esquema de un ciclo de refrigeración

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Refrigeración Ciclos de refrigeración

Intercambiador de placas 3/4/2015

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Refrigeración Ciclos de refrigeración

Sistema de refrigeración de vino

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Refrigeración Ciclos de refrigeración

Diagrama de eficiencias para superficies extendidas

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Tipos de Refrigeradores Por aire: • El aire retira la mayor cantidad posible de calor cuando entra en contacto con una gran superficie del alimento. • La transferencia de calor depende de la conductividad térmica del alimento y del espesor mínimo del alimento. • A mayor velocidad del aire se logra mayor capacidad de refrigeración. • El aire frío circula a gran velocidad (5 a 15 m.s-1) en un espacio relativamente estrecho en los laterales del producto.

• La velocidad del aire y el tiempo de permanencia en el túnel permiten controlar la temperatura final del producto.

Tipos de Refrigeradores Por agua • El agua presenta una elevada capacidad de retirar calor, gracias a su alto coeficiente de película. • Se pueden emplear sistemas de aspersión o inmersión. • El caudal regula la transferencia de calor directamente.

Efectos de la refrigeración en el alimento • Muy pocos efectos en las propiedades nutricionales.

• En las características sensoriales debido al endurecimiento de las grasas y aceites presentes en los alimentos. • La oxidación de los lípidos es una de las principales causas de la perdida de calidad en productos procesados (cocidos) y almacenados en refrigeración.

Cadena de frio • Serie de etapas de almacenamiento y comercialización de los productos

• La temperatura en todas las operaciones debe ser cercana o igual a la del producto inicial • Su mantenimiento garantiza que los productos no se deterioren antes de tiempo

Cadena de frío Refrigeración o congelación

Almacenamiento minorista

Almacenamiento in situ Exhibición de venta Transporte Transporte y almacenamiento por el consumidor Almacenamiento mayorista

Transporte

El suministro de alimentos refrigerados y congelados al consumidor exige que se disponga de una adecuada cadena de frío que comprende

Instalaciones industriales: • túneles de congelación o refrigeración y cámaras de almacenamiento congelado o refrigerado

Transporte congelado o refrigerado (terrestre, marítimo, aéreo)

Instalaciones comerciales: mostradores (congeladores o refrigeradores) Instalaciones domésticas: congeladores o refrigeradores institucionales (restaurantes, comedores, cocinas industriales, hospitales) o caseros