INFLUENCIA DEL COEFICIENTE DE PELÍCULA EXTERIOR EN LA INTENSIDAD DEL PROCESADO TÉRMICO. Abril, J. Gómez, J.J. y Casp, A.

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1 INFLUENCIA DEL COEFICIENTE DE PELÍCULA EXTERIOR EN LA INTENSIDAD DEL PROCESADO TÉRMICO Abril, J. Gómez, J.J. y Casp, A. Departamento de Tecnología de Alimentos Universidad Pública de Navarra. Campus Arrosadía.- Pamplona (España) jabril@unavarra.es Palabras clave: Procesado térmico de productos envasados, coeficiente de película. RESUMEN La intensidad del procesado térmico de un producto envasado es función del calor intercambiado entre el fluido caloportador y la superficie del envase y por ello del coeficiente de película alcanzado en este intercambio, de la superficie utilizada y de la diferencia de temperatura entre el envase y el fluido caloportador. Cuando se trata un sólido, que se calienta por conducción, la importancia relativa del coeficiente de película se determinará calculando el número de Biot alcanzado en la transferencia, que define la relación entre la resistencia a la transferencia de calor interna del sólido y la externa, entre el fluido caloportador y el envase. Generalmente se admite que para números de Biot mayores de 4 la resistencia convectiva en la superficie puede considerarse despreciable, mientas que para números de Biot menores de,1 puede considerarse despreciable la resistencia interna. De acuerdo con lo anterior, los coeficientes de película alcanzados por los sistemas de transmisión de calor empleados en el tratamiento de alimentos envasados no tendrán significación práctica cuando se traten alimentos sólidos de baja conductividad térmica, mientras que en el caso de tratamiento de líquidos de baja viscosidad la importancia del coeficiente exterior de convección será fundamental. El objetivo de este trabajo es establecer la importancia relativa del coeficiente de película exterior en el tratamiento térmico de líquidos de altas viscosidades. Para ello se han tratado simuladores de alimentos de viscosidades crecientes (siliconas de viscosidades comprendidas entre los 3 y los 1 cp) envasados en envases de hojalata mediante flujos de agua caliente a los caudales utilizados por la industria en los sistemas de pasteurización y esterilización por lluvia de agua. De los resultados obtenidos se desprende, como era de esperar, que efectivamente es la viscosidad del alimento el factor que limita la formación de corrientes de convección y modifica la velocidad de penetración de calor en el envase. INTRODUCCIÓN La intensidad del procesado térmico de un producto envasado es función del calor intercambiado entre el fluido caloportador y la superficie del envase y por ello del

2 coeficiente de película alcanzado en este intercambio, de la superficie utilizada y de la diferencia de temperatura entre el envase y el fluido caloportador. Cuando se trata un sólido, que se calienta por conducción, la importancia relativa del coeficiente de película se determinará calculando el número de Biot alcanzado en la transferencia, que define la relación entre la resistencia a la transferencia de calor interna del sólido y la externa, entre el fluido caloportador y el envase. Generalmente se admite que para números de Biot mayores de 4 la resistencia convectiva en la superficie puede considerarse despreciable, mientas que para números de Biot menores de,1 puede considerarse despreciable la resistencia interna. De acuerdo con lo anterior, los coeficientes de película alcanzados por los sistemas de transmisión de calor empleados en el tratamiento de alimentos envasados no tendrán significación práctica cuando se traten alimentos sólidos de baja conductividad térmica, mientras que en el caso de tratamiento de líquidos de baja viscosidad la importancia del coeficiente exterior de convección será fundamental. Cuando se emplea vapor saturado como fluido caloportador los coeficientes de película alcanzados son máximos: 1 W/m 2.K (Coulson y Richardson, 1977), que se reducen considerablemente cuando el fluido caloportador es una mezcla de vapor y aire (Ramaswamy y col, 1983) y que son función del caudal empleado cuando el fluido caloportador es una lluvia agua sobrecalentada (Abril y col., 28). El objetivo de este trabajo es establecer la importancia relativa del coeficiente de película exterior en el tratamiento térmico de líquidos de altas viscosidades. Para ello se han tratado siliconas de viscosidades comprendidas entre los 3 y los 1 mm 2 /s en envases de hojalata mediante flujos de agua caliente a los caudales utilizados por la industria en los sistemas de pasteurización y esterilización por lluvia de agua. MATERIALES Y MÉTODOS En los ensayos se han utilizado envases de hojalata de los empleados por la industria agroalimentaria, de 74 mm de diámetro y 11 mm de altura. Los envases se han llenado con elastómeros de silicona fluidos fabricados por la empresa Rhodia Silicones S.A.S. de Saint-Fons (Francia). Esta empresa produce aceites de silicona de viscosidades comprendidas entre y 1.. mm 2 /s. En este ensayo se han utilizado las de 3, y 1 mm 2 /s, que tienen las siguientes propiedades: Propiedades Rhodorsil Rhodorsil Rhodorsil 47V3 47V 47V1 Viscosidad a 2ºC (mm 2 /s) 3 1 Densidad a 2ºC (Kg/m 3 ) Calor específico (J/kg.K) Conductividad térmica (W/m.K),16,16,16 Los ensayos se han realizado en el equipo esquematizado en la figura siguiente, que consta de: Un depósito de acero inoxidable de 4 litros de capacidad donde se calienta el agua mediante una resistencia de 2 W. El control de la temperatura del agua

3 se realiza mediante un regulador OMRON modelo ECKT configurado para control PID Un sistema de aplicación del agua sobre el envase de producto, que consta de una bomba de rodete flexible YUNK modelo B2 de cuerpo de acero inoxidable y rodete de nitrilo que alimenta una distribuidor que se encarga de que el caudal bombeado se deposite sobre la superficie del envase sin presión y sin que se produzcan salpicaduras El caudal bombeado se ajusta mediante un variador de frecuencia OMRON modelo SYSDRIVE 3G3MV. Un sistema de enfriamiento del agua que consta de un cambiador de calor de placas soldadas SWEP modelo B8Hx2/1P-SC-S alimentado con agua de red Una tarjeta de control basada en un controlador PIC16F877 al cual van conectadas: o 4 entradas analógicas: presión de agua en la tubería de distribución; caudal de agua distribuida; temperatura del agua de entrada al intercambiador; temperatura del agua de salida del intercambiador. o 1 entrada digital: interruptor de nivel de agua. o 2 salidas digitales: electroválvula de entrada del agua fría al cambiador y electroválvula de entrada de agua al depósito. o Puerto RS232 para comunicaciones con PC. o Puerto RS48 para comunicaciones con el regulador y el variador de frecuencia Un ordenador para la recogida de datos y control del proceso mediante el programa desarrollado. 1 Agua de red 3 1: Envase con silicona 2: Data logger con dos sondas 3: Difusor de agua 4: Baño : Calefacción por resistencia 6: Filtro 7: Bomba de caudal regulable 8: Caudalímetro 9: Enfriamiento por cambiador de calor 1: Electroválvula 11: Software de control El desarrollo informático se ha realizado mediante el programa LabVIEW 6.1. La temperatura de centro térmico del envase y del agua distribuida sobre él se ha recogido cada 1 segundos mediante un data logger Ellab Tracsense de dos sondas PT- 1.

4 Para cada silicona se han realizado tratamientos térmicos a 3 caudales de agua de proceso: 4, 6 y 8 l/min. De cada uno de los tratamientos se han realizado 3 repeticiones. Cálculos: De cada una de las curvas de penetración de calor obtenidas se ha calculado el factor de pendiente y a partir de él la difusividad térmica aparente. El factor de pendiente (Fh) se ha calculado ajustando una recta a la porción de pendiente negativa de la curva de penetración de calor que se obtiene representando el logaritmo de la diferencia entre la temperatura del fluido caloportador y la del producto contra el tiempo de proceso. Fh será la inversa de la pendiente de esta recta, cambiada de signo, expresado en segundos (Olson y Jackson, 1942). La difusividad térmica aparente (α a ) se calcula también de acuerdo con Olson y Jackson (1942), con la siguiente ecuación:,398 a 1,427 Fh 2 2 R H siendo: α a = difusividad térmica aparente (m 2 /s) R = radio del envase (m) H = semialtura del envase (m) La difusividad térmica se calcula con la siguiente ecuación (Singh y Heldman, 29): k c p siendo: α = difusividad térmica (m 2 /s) k = conductividad térmica (W/m.K) ρ = densidad (kg/m 3 ) c p = calor específico (J/kg.K) Los coeficientes de película exteriores se calculan de acuerdo con Abril y col. (28) con la expresión: h 282,9 Lnv 93, 1 siendo: v = caudal volumétrico (l/min) El número de Biot se calcula de acuerdo con Singh y Heldman (29), con la siguiente ecuación: h R Bi k siendo: h = coeficiente de película (W/m 2.K) R = radio del envase (m) k = conductividad térmica de la silicona (W/m.K) RESULTADOS En las gráficas 1, 2 y 3 se muestran las curvas de penetración de calor obtenidas para las tres siliconas con los tres caudales de agua de proceso.

5 Los tiempos de mantenimiento se han ajustado para conseguir que en todos los casos las siliconas alcancen, al concluir el proceso, una temperatura próxima a la del fluido calefactor. Por lo tanto el tiempo de mantenimiento para Silicex 1 es mayor que el correspondiente a las otras siliconas. Temperatura (ºC) Tiempo (min) Recinto 4 l/min 6 l/min 8 l/min Grafica 1.- Curvas de penetración de calor para Silicex 3 Temperatura (ºC) Tiempo (min) Temperatura (ºC) Recinto 4 l/min 6 l/min 8 l/min Tiempo (min) Gráfica 2.- Curvas de penetración de calor para Silicex Recinto 4 l/min 6 l/min 8 l/min Gráfica 3.- Curvas de penetración de calor para Silicex 1 En las gráficas puede verse que, para cada silicona, las curvas de los distintos caudales se superponen, por lo que a primera vista el coeficiente de película exterior no afecta a la transmisión de calor en el interior del envase. En la Tabla 1 se recogen los valores de los Nº de Biot calculados para las siliconas y los caudales empleados en los ensayos. Tabla 1.- Nº de Biot alcanzado en el proceso Caudal (l/min) h (W/m 2.K) Nº de Biot , 98, ,6 118, 8 266,8 12,9

6 Se observa que en todos los casos el valor de Biot alcanzado es muy superior al admitido en la bibliografía (Bi = 4) a partir del cual el valor del coeficiente de película no tiene significación en el proceso de penetración del calor. A continuación se calcularon los valores del coeficiente Fh de cada una de las curvas de penetración de calor. En la tabla 2 se recogen los resultados medios para cada silicona y cada caudal. Tabla 2.- Valores de Fh obtenidos Caudal (l/min) Silicex 3 Silicex Silicex ,6 17,8 184, ,6 1472,3 1818, 8 82, 1467,6 1796, Al realizar el análisis estadístico correspondiente no se han encontrado diferencias significativas entre los valores de Fh de los tres caudales para cada silicona. A partir de los estos valores se calcula la difusividad térmica aparente de cada silicona y cada caudal de agua de proceso. Los resultados medios de las tres repeticiones se muestran en la tabla 3. Tabla 3.- Difusivida térmica aparente calculada Caudal (l/min) Silicex 3 Silicex Silicex 1 4 4,8E-7 3,1E-7 2,6E-7 6,4E-7 3,1E-7 2,6E-7 8,E-7 3,2E-7 2,6E-7 Se observa que la difusividad térmica aparente obtenida decrece a la vez que se incrementa la viscosidad de la silicona, cuando el valor de la difusividad térmica calculada a partir de las propiedades termofísicas de estos productos es independiente de su viscosidad y por ello la misma para todas estas siliconas. En la gráfica 4 se muestra la relación entre las difusividad térmica aparente y la viscosidad de las siliconas, habiéndose representado también en la gráfica el valor de la difusividad térmica teórica como línea de trazos.,6, Difusividad térmica aparente (m2/s),4,3,2,1 y = -8E-8Ln(x) + 1E-6 R 2 =, Viscosidad (mm2/s) Gráfica 4.- Evolución de la difusividad térmica aparente con la viscosidad

7 La facilidad de crear corrientes de convección es función del número de Grashof (Singh y Heldman (29), que se calcula con la siguiente expresión: 3 2 D g T Gr 2 siendo: D = diámetro del envase (m) ρ = densidad de la silicona (kg/m 3 ) g = aceleración de la gravedad (9,81 m/s 2 ) β = coeficiente de expansión volumétrica (K -1 ) ΔT = diferencia de temperatura entre la pared del envase y la silicona (K) μ = viscosidad (Pa.s) En las condiciones de los ensayos realizados todos estos factores permanecen constantes para las siliconas salvo la viscosidad, que por tanto será la propiedad que indique la intensidad de las corrientes de convección formadas durante el intercambio térmico y con ellas la facilidad para la penetración del calor en los envases. CONCLUSIONES De los resultados obtenidos se desprende que el caudal de agua pulverizada durante el procesado, dentro de los valores estudiados, no influye en la velocidad de penetración del calor en los envases que contienen las siliconas. Las diferencias encontradas solo son atribuibles a las diferencias de viscosidad de los productos, que permiten o no la aparición de corrientes de convección. Cuanto mayor sea la viscosidad con mayor dificultad aparecerán corrientes de convección y por ello será más lenta la transmisión de calor, aproximándose la difusividad térmica aparente a la teórica calculada a partir de las propiedades físicas del producto. BIBLIOGRAFÍA Abril, J.; Gómez, J. J. y Casp, A. (28) Determinación del coeficiente superficial de transmisión de calor en los procesos que utilizan pulverización de agua. Actas V Congreso Español de Ingeniería de Alimentos Barcelona. ISBN: Coulson, J.M. y Richardson, J.F. (1977) Chemical Enginnering. Vol. 1. Pergamon Press. Oxford, London. Olson, F.C.W. y Jackson, J.M. (1942) Heating curves, theory and practice. Ind. Eng. Chem., 34, Ramaswamy, H.S.; Tung, M.A. y Stark, R. (1983) A method to measure heat transfer from steam/air mixture in batch retorts. J. Food Sci. 48, Singh, R.P. y Heldman, D.R. (29) Introduction to Food Engineering. 4 Ed. Academic Press.