UTILIZACIÓN DE ECUACIONES EMPÍRICAS PARA EL CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE PELÍCULA EN AUTOCLAVES POR LLUVIA DE AGUA SOBRECALENTADA 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 Coeficiente de película, convección, procesado térmico, autoclave de ducha de agua, alimentos envasados. RESUMEN La transmisión de calor en el procesado térmico en autoclave de alimentos envasados es función de la transferencia de calor sobre la superficie del envase, que dependerá del coeficiente de película alcanzado en el proceso, y de la transferencia de calor a través del material de envase y en el seno del alimento. Cuando la calefacción se consigue mediante una ducha de agua sobrecalentada que cae por gravedad sobre los envases, el coeficiente de película alcanzado en la transferencia es función del caudal de agua empleado y en cualquier caso no puede considerarse infinito como cuando se utiliza vapor de agua como fluido caloportador. La reducción de los tiempos de proceso es una exigencia que se plantea a fabricantes de autoclaves, ya que por este camino se reducen los costos de procesado y la agresividad de los tratamientos a las propiedades organolépticas de los alimentos. Y para ello se deberá incrementar el coeficiente de película alcanzado en la transferencia de calor superficial. Para avanzar en este sentido es necesario poder calcular, de forma sencilla, el coeficiente de película con el que se trabaja en cada caso y para conseguirlo lo más fácil sería utilizar una ecuación empírica que ligue este coeficiente a variables del proceso fácilmente medibles. En este trabajo se analiza la exactitud alcanzada en el cálculo del coeficiente de película por las ecuaciones empíricas facilitadas por la bibliografía, comprobándose que los resultados obtenidos mediante estos cálculos sencillos coinciden con suficiente exactitud con los valores experimentales medidos. INTRODUCCIÓN La transmisión de calor en el procesado térmico de alimentos envasados, en autoclaves de ducha de agua sobrecalentada, es función de la transferencia de calor sobre la superficie del envase, que dependerá del coeficiente de película alcanzado en el proceso, del envase utilizado y de la conductividad térmica del alimento. En la mayoría de los casos la velocidad de transmisión de calor en el interior del envase es mucho menor que en su superficie, ya que la aparición de corrientes de convección efectivas en el seno del alimento (en presencia o no de líquido de gobierno) no suele ser habitual. En estos casos tiene poco sentido buscar incrementos del coeficiente de película, ya que no se conseguirán reducciones de los tiempos de tratamiento. Sin embargo, en la actualidad existen en el mercado autoclaves con los que se consigue forzar la aparición de corrientes de convección en el interior de los envases (Abril et al., 2010) con los que se obtienen reducciones drásticas de los tiempos de procesado y en los que tiene sentido actuar también sobre el coeficiente de transmisión de calor entre el fluido caloportador (agua sobrecalentada a un determinado caudal) y la superficie de los envases. En el presente trabajo se pretende comprobar si con las ecuaciones empíricas que aparecen en la bibliografía para el cálculo del coeficiente de película en procesos en los que la transmisión de calor se produce por caída de agua por gravedad sobre superficies verticales, se obtienen resultados acordes con los valores experimentales obtenidos.
MATERIAL Y MÉTODOS Probeta de aluminio Se ha utilizado una probeta de aluminio Simagal 82, de las dimensiones y propiedades que se recogen el la tabla 1. Las dimensiones de la probeta coinciden con las de los envases de hojalata de medio kilo de capacidad que utiliza la industria conservera. Tabla 1. Dimensiones y propiedades de la probeta de aluminio Instalación Dimensiones Diámetro (m): 0.073 Altura (m): 0.11 Masa (kg): 1.28 Area lateral (m 2 ): 0.025214 Propiedades c p (J/kg.K): 960 k (W/m.K): 174 Densidad (kg/m 3 ) 2710 En la figura 1 se muestra un esquema del equipo donde se realizaron los ensayos, que consta de: 10 Agua de red 1 3 1: Probeta de aluminio 2: Data logger con dos sondas 3: Difusor de agua 4: Baño 5: Calefacción por resistencia 6: Filtro 7: Bomba de caudal regulable 8: Caudalímetro 9: Enfriamiento por cambiador de calor 10: Electroválvula 11: Software de control 9 2 11 5 8 4 7 6 Figura 1. Esquema del equipo en el que se realizaron los ensayos. Un depósito de acero inoxidable de 4 litros de capacidad donde se calienta el agua mediante una resistencia de 2000 W. El control de la temperatura del agua se realiza mediante un regulador OMRON modelo E5CKT 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 un 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 B8Hx20/1P-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 o Puerto RS232 para comunicaciones con PC. Puerto RS485 para comunicaciones con el regulador y el variador de frecuencia Un ordenador para la recogida de datos y el control del proceso mediante el programa desarrollado. El desarrollo informático se ha realizado mediante el programa LabVIEW 6.1. Medida de la temperatura La temperatura de centro térmico de la probeta de aluminio y del agua distribuida sobre ella se ha recogido cada segundo mediante un data logger Ellab Tracsense de dos sondas PT- 100. Ecuaciones Se han utilizado las siguientes ecuaciones tomadas de Saravacos y Maroulis (2011): Para Reynolds<1000 Para Reynolds>1000 EC1 siendo: D= diámetro de la probeta de aluminio (m) = caudal másico de agua pulverizada (kg/s) η= viscosidad del agua (Pa.s) c p = calor específico del agua (J/kg.K) k= conductividad térmica del agua (W/m.K) h= coeficiente de película (W/m 2.K) ρ= densidad del agua (kg/m 3 ) g= aceleración de la gravedad (m/s 2 ) Cálculo del calor transferido El calor transferido se ha calculado, para cada caudal de agua de acuerdo con Abril et al. (2008). A partir de este valor se ha determinado el coeficiente global de transmisión de calor y el coeficiente de película experimental para cada ensayo.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN Las experiencias se han realizado bombeando agua a 80ºC sobre la probeta de aluminio, a 5 caudales másicos diferentes (desde 0,06 hasta 0,18 kg/s) que corresponderían a caudales de 55 a 155 m 3 /h.m 2 en los autoclaves industriales. Este intervalo incluye y supera al caudal máximo utilizado en la práctica industrial que es de 60 m 3 /h.m 2. En estas condiciones se ha medido la evolución de la temperatura en el centro térmico de la probeta de aluminio y a partir de la curva de penetración de calor se han calculado los coeficientes global y de película para cada una de las experiencias. En la Tabla 2 se recogen los resultados obtenidos en las experiencias y cálculos realizados, para cada uno de los caudales estudiados. Tabla 2. Resultados obtenidos Experimental Calculado Caudal (kg/s) K (W/m.K) h (W/m 2.K) Re h (W/m 2.K) 0,06 2505 5279 3166 5955 0,10 2803 6804 5195 7024 0,12 2905 7438 6251 7471 0,14 2945 7705 6819 7691 0,18 3052 8486 8849 8388 Para el establecimiento del coeficiente de película calculado se ha empleado la ecuación EC1 ya que los valores de Re encontrados son muy superiores a 1000 en todos los casos. En la Figura 2 se representan los valores de los coeficientes de película experimentales y calculados para comprobar los errores cometidos. 9000 8500 Coeficiente de película (W/m2.K) 8000 7500 7000 6500 6000 5500 5000 4500 Calculado Experimental 4000 0,050 0,070 0,090 0,110 0,130 0,150 0,170 0,190 Caudal másico de agua (kg/s) Figura 2. Comparación de los coeficientes de película experimental y calculado.
Como se observa en la gráfica, los valores calculados y experimentales concuerdan de forma aceptable, con mayor precisión según crecen los caudales. En la Figura 3 se representan los valores de coeficiente de película experimentales contra los calculados, para comprobar si entre ellos existe una adecuada correlación. Como se aprecia en dicha gráfica, para los caudales másicos ensayados, la excelente correlación encontrada demuestra la bondad del sistema de cálculo propuesto. 9000 Coeficiente de película experimental (W/m2.K) 8500 8000 7500 7000 6500 6000 5500 5000 4500 y = 1,3324x -2591,8 R² = 0,996 4000 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 Coeficiente de película calculado (W/m2.K) Figura 3. Regresión entre los coeficientes de película experimental y calculado. CONCLUSIONES A los caudales másicos ensayados se alcanzan valores de Reynolds considerables que llevan a que los intercambios de calor en la superficie de los envases se realicen con gran eficiencia. En estas condiciones el cálculo del coeficiente de película se puede realizar con la suficiente precisión mediante una ecuación muy sencilla, que no exige más que el conocimiento del diámetro de los envases y del caudal másico del agua distribuida sobre cada uno de ellos. De los resultados obtenidos se desprende que la industria conservera dispone de un importante margen para incrementar el coeficiente de película obtenido por sus equipos (desde 6000 hasta 9000 W/m 2.K) por simple incremento del caudal másico de agua de proceso bombeada, de forma que sigue siendo posible acortar los tiempos de los tratamientos térmicos para conseguir reducir el consumo energético y la agresividad ante las propiedades organolépticas de las materias primas.
BIBLIOGRAFÍA Abril, J.; Gómez, J.J. y Casp, A. (2008) Determinación del coeficiente superficial de transmisión de calor en los procesos que utilizan pulverización de agua. Actas CESIA 2008. Barcelona. ISBN 978-84-96736-57-3. pag. 116-120 Abril, J. López, R. y Casp, A. (2010) Tratamiento térmico de alimentos mediante agitación en sistemas de movimiento alternativo Actas CESIA 2010, Logroño. ISBN 978-84-7359-654-1 Saravacos, G.D. y Maroulis, Z.B. (2011) Food Process Engineering Operations. CRC Press. Boca Ratón.