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FACULTAD DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE LOS ALIMENTOS

CURSO: FENÓMENOS DE TRANSPORTE INFORMES DE LABORATORIO INTEGRANTES ● ● ● ● ● ●

Crespo Caballero, Marelly Caceda Lara, Nicoll Kiara Estrada Santos,Any Araceli Jimenez Arotinco, Maria Lourdes Yalta Aliaga, Anderson Alexsander Estrada Rosas, Williams Carlos

PROFESOR DE PRÁCTICAS Herrera Nuñez Esteban Gabriel.

I. INTRODUCCIÓN

20161343 20161431 20141254 20161446 20161468 20121331

El dominio de los fenómenos de transporte comprende tres temas estrechamente relacionados: dinámica de fluidos, transmisión de calor y transferencia de materia. La dinámica de fluidos se refiere al transporte de cantidad de movimiento, la transferencia de calor trata sobre el transporte de energía, y la transferencia de materia estudia el transporte de materia de varias especies químicas (Bird, 2006). La reología es la ciencia dedicada al estudio de la deformación y el flujo; son varias las razones para determinar las propiedades reológicas de alimentos. Son básicas en la ingeniería de procesos para el diseño de plantas, en el cálculo de requerimientos de bombeo; para establecer las dimensiones de tuberías y válvulas; para realizar mezclas; además se utilizan en el cálculo de operaciones básicas con transferencia de calor, masa y cantidad de movimiento (Ramírez,2006).

Para el fenómeno de transferencia de calor Kreith y Bohn (2001) menciona que, el flujo de calor al igual que la realización de trabajo, es un proceso mediante el cual se modifica la energía inicial de un sistema. Incropera (1999) manifiesta que la transferencia de calor es la energía en tránsito debido a una diferencia de temperaturas. Geankoplis (2006) señala que la transferencia de calor puede verificarse por medio de uno o más de los tres mecanismos de transferencia: conducción, convección o radiación. Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor de un fluido a otro, sea que estos estén separados por una barrera sólida o que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico (Incropera, 1999).

En la transferencia de calor en estado no estacionario o transitorio se estudiarán los procesos en los cuales la temperatura de cualquier punto del sistema cambia con el tiempo. Su importancia se debe al gran número de problemas de calentamiento y enfriamiento que existen en la industria. En los procesos alimentarios es necesario predecir las velocidades de enfriamiento y calentamiento de los alimentos en diversos procesos como la pasteurización o el secado, con el objetivo de estimar el tiempo requerido para alcanzar ciertas temperaturas. En el procesamiento de alimentos, como en la industria de las conservas, los alimentos perecederos enlatados se calientan por inmersión en baños de vapor o se enfrían sumergiendo en agua fría.

En el presente curso se tienen como objetivos:

● Familiarizarse con el uso del reómetro rotacional, medir la viscosidad de un fluido como parámetro de calidad, determinar las características reológicas de alimentos líquidos ligeros (aceite de soya, néctar de pera y mostaza) y reconocer el comportamiento de los mismos. ● Reconocer las partes y el funcionamiento del intercambiador de calor y determinar el coeficiente global de transferencia de calor referido a la superficie externa (Uo). ● Determinar el coeficiente convectivo de transferencia de calor (h) para una esfera en el estado no estacionario, así como obtener el perfil de temperatura en el centro de un alimento que se calienta en estado no estacionario y por consiguiente obtener el número de Biot para este proceso de transferencia de calor inestable

II. MATERIALES Y METODOLOGÍAS

2.1.

DETERMINACIÓN

DE

LAS

CARACTERÍSTICAS

REOLÓGICAS

DE

ALIMENTOS LÍQUIDOS EMPLEANDO REÓMETRO ROTACIONAL.

2.1.1

Materiales y Equipos Metodología

Para la realización de este laboratorio se usaron los siguientes materiales y equipos: ·

Reómetro rotacional Brookfield RV DV – III Ultra

·

Baño de agua a temperatura constante

·

Accesorio para muestras ligeras (ULA)

·

Accesorio para pequeñas muestras (SSA)

·

Probetas de 25 mL

·

Jeringas de 10 mL

·

Muestras: aceite de soya (SAO) y néctar de pera (Watt’s).

2.1.2

Metodología

2.1.2.1 Calibración del reómetro: -

Retirar el protector del eje y encender el reómetro.

-

Seleccionar el modo control externo presionando la tecla 1 del panel de control del reómetro.

-

Abrir el programa RHEOCALC.

-

Verificar que este haya reconocido el equipo ·

Un punto verde delante del texto DV3+ indica que el equipo ha sido reconocido correctamente.

·

si el programa no ha reconocido el equipo activar el COM1 debajo del texto Rheometer, cerrar el programa RHEOCALC y volver a iniciarlo.

-

Para calibrar el reómetro presionar el botón Zero.

2.1.2.2 Para determinar la viscosidad de un fluido

-

Seleccionar el spindle RV conveniente de la lista de spindle en el software RHEOCALC.

-

Transferir la muestra en el vaso de precipitado de 600 mL.

-

Colocar el spindle en el reómetro.

·

Tomar en el spindle con la mano derecha.

·

Con la mano izquierda levantar el eje suavemente.

·

Mantener firme el eje con la mano izquierda.

·

Ajustar el accesorio en sentido anti horario con la mano derecha.

·

Soltar el eje.

-

Seleccionar la ventana de programas.

-

Cargar un programa presionando el botón LOAD y seleccionarlo de la lista.

-

Presionar el botón START para ejecutar el programa.

2.1.2.3 Para determinar los parámetros reológicos de un fluido ligero

-

Seleccionar el accesorio para las muestras ultra ligeras ULA de la lista de spindle.

-

Transferir 16 mL de la muestra en el accesorio, conectar el accesorio y seleccionar la ventana de programas.

-

Cargar un programa presionando el botón LOAD y seleccionando de la lista.

-

Presionar el botón START para ejecutar el programa.

2.1.2.4 Para determinar los parámetros reológicos de un fluido muy viscoso

-

Seleccionar el accesorio para pequeñas muestras SC4-27 de la lista de spindles.

-

Trasferir 11 mL de la muestra en el accesorio, conectar el accesorio y seleccionar la ventana de programas.

-

Cargar un programa presionando el botón LOAD y seleccionando de la lista.

-

Presionar el botón START para ejecutar el programa.

2.2. INTERCAMBIADOR DE CALOR DOBLE TUBO DE CUATRO PASOS.

2.2.1

Materiales:

-

Módulo de intercambiador de calor de tubos concéntricos de cuatro cuerpos.

-

Cronómetro.

-

Agua blanda.

-

2.2.2

Probeta de 1000 mL.

Metodología:

El procedimiento para el flujo calórico con un intercambiador de calor de doble tubo de cuatro pasos es como se detalle en las siguientes líneas:

-

Llenar con agua blanda el tanque de calentamiento hasta un volumen de 10 L aproximadamente.

-

Verificar las válvulas V1 y V2.

-

Encender las resistencias activando los interruptores R1, R2 y R3 para calentar el agua.

-

Controlar la temperatura de calentamiento del agua con un termómetro hasta alcanzar una temperatura de 60 °C como valor máximo. Para uniformizar la temperatura poner en marcha la bomba y recircular el agua caliente a través de la válvula (V2).

2.2.2.1 Inicio del ensayo con flujo en contracorriente:

-

Abrir la válvula V1 y controlar el flujo de ingreso de agua caliente con el rotámetro instalado en línea para un caudal mínimo de 5 lpm, luego hacer circular el agua fría por el anulo del intercambiador de calor asegurando que el número de Reynolds sea superior a 10000 (el tiempo en que se llena una probeta de 1000ml debe ser menor a 9.4 s).

-

Esperar 10 minutos a que se estabilicen las temperaturas. Para iniciar la lectura de temperaturas del fluido caliente (Tc1, Tc2, Tc3, Tc4 y Tc5) el selector del fluido caliente debe estar en ON y del fluido frío en OFF, y de igual forma para la lectura de temperaturas del fluido frío (Tf1, Tf2, Tf3, Tf4 y Tf5) el selector del fluido frío debe estar en ON y del fluido caliente en OFF.

-

Repetir el experimento para caudales de agua caliente de 20 lpm manteniendo constante el caudal de agua.

2.2.2.2 inicio del ensayo con flujo paralelo:

-

Para el experimento de flujo en paralelo se cambia el sentido de entrada de la corriente de agua fría y se repite el mismo procedimiento que en la sección anterior.

-

Finalizado el experimento apagar las resistencias R1, R2 y R3, la bomba, el indicador digital de temperatura y finalmente el interruptor general.

2.3. TRANSFERENCIA DE CALOR EN ESTADO NO ESTACIONARIO

2.3.1 Materiales y Equipos Para la realización de este laboratorio se usaron los siguientes materiales y equipos:

-

Baño termostático y equipo de colector de temperatura.

-

Sensor de temperatura pared plana de latón y acero inoxidable.

-

Agua blanda.

-

Papa variedad amarilla.

-

Reloj de mano.

-

Regla.

-

Equipo de transferencia de calor Heat Transfer Service Unit.

2.3.2. Metodología Se realizó la siguiente metodología:

-

Se conectaron los termopares T1, T2 y T3, correspondiente a la esfera de cobre, a las correspondientes tomas situadas en la unidad TE6/EV.

-

Se conectó el enchufe de alimentación del baño termostático a la red eléctrica.

-

Se conectó el enchufe a la bomba de circulación G1 a la toma OUTPUT 3 situada en la parte posterior de la unidad TE6/EV.

-

Se encendió la unidad TE6/EV pulsando el interruptor luminoso situado en la parte posterior.

-

El baño termostático fue llenado con agua hasta unos 2 cm por debajo de la marca del nivel máximo situada en el indicador de nivel.

-

El termostato del baño fue programado a 70 °C, se esperaron unos 3040 minutos para llegar a esta temperatura.

-

La tensión que suministra la bomba fue regulada a 20 V con el selector correspondiente.

-

Una vez que la temperatura de los objetos se estabilizó, se montó el objeto de trabajo en el soporte correspondiente y se esperó a que la temperatura T3 sea igual a T2.

-

El soporte con la muestra fue introducido rápidamente en el baño mientras que las temperaturas eran registradas por el programa pilot.

-

Al finalizar el experimento, el voltaje se redujo a cero y se apagó y desconectó la unidad mod TE6/EV.

-

La operación se repitió con el sensor de esfera de latón.

III. RESULTADOS Y DISCUSIONES 3.1. DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS REOLÓGICAS DE ALIMENTOS LÍQUIDOS EMPLEANDO REÓMETRO ROTACIONAL. 3.1.1.DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS REOLÓGICAS DEL ACEITE “SAO”. Tabla N° 1. Promedio de dos repeticiones del comportamiento reológico del aceite a una temperatura de 20 °C tomado en intervalos de 10 s.

Tabla N°2. Promedio de tres repeticiones del comportamiento reológico del aceite a una temperatura de 25°C tomado en intervalos de 10 s.

Tabla N°3. Promedio de tres repeticiones del comportamiento reológico del aceite a una temperatura de 30°C tomado en intervalos de 10 s.

Tabla N°4. Promedio de tres repeticiones del comportamiento reológico del aceite a una temperatura de 35°C tomado en intervalos de 10 s.

Tabla N°5. Promedio de tres repeticiones del comportamiento reológico del aceite a una temperatura de 40°C tomado en intervalos de 10 s.

Gráfico N° 1. Curva de viscosidad, variación de la viscosidad (cP) en función de la velocidad de corte (γ).

Gráfico N°2. Comportamiento reológico del fluido, se ajustaron los datos experimentales a la ley de la potencia.

Tabla N°6. Determinación de constantes reológicas a diferentes temperaturas,en base a la ley de la potencia.

Gráfico N°3. Comportamiento de la viscosidad en función de la temperatura, descrito por la ecuación de Arrhenius.

Tabla N°7. Valor de las constantes de la ecuación de Arrhenius, en función al RPM de trabajo.

Tabla N°8. Viscosidad experimental y corregida a cinco temperaturas diferentes, con una velocidad de 50 RPM.

Tabla N°9. Viscosidad experimental (cP) y corregida a cinco temperaturas diferentes, con una velocidad de 80 RPM.

Gráfico N°4. Variación de la viscosidad corregida (cP) en función de la temperatura (K).

Discusiones Geankoplis (2006), menciona que aquellos fluidos que obedecen la ley de Newton, son llamados fluidos newtonianos; en este tipo de fluidos existe una relación lineal entre el esfuerzo cortante y el gradiente de velocidad. Esto quiere decir que la viscosidad μ es constante e independiente de la velocidad cortante. Además, menciona que aquellos fluidos en los que la viscosidad no permanece constante están en función de la velocidad de corte y siguen la ley de la potencia, a los cuales se les conoce como fluidos no newtonianos. Algunos fluidos que pertenecen a este grupo son las pastas, lechadas, altos polímeros y emulsiones como el aceite. Esto puede observarse con más detalle en la gráfica N° 1 donde vemos que al evaluar el aceite vegetal de la marca Sao (100 % aceite de girasol), existe una relación no lineal en todos los casos evaluados a diferentes temperaturas entre la viscosidad (cP) y la velocidad de corte (1/s).

Según Ibarz y Barbosa (1999), los aceites son considerados normalmente como fluidos newtonianos, pero a muy altas velocidades de deformación presentan un comportamiento diferente denominado pseudoplasticidad correspondiente a la clasificación de fluidos no newtonianos independientes del tiempo, esto según el autor puede ser explicado debido al alineamiento de las celdas unitarias a alto esfuerzo cortante, los cuales pueden causar una disminución en la fricción interna. Como se observa desde la tabla N°1 hasta la N° 4 las velocidades utilizadas para agitar la muestra de aceite con el reómetro fueron de 30 a 100 RPM, si consideramos lo que menciona el autor al usar unas revoluciones menor podríamos conseguir que el aceite presente un comportamiento newtoniano, pero en este caso vemos en la gráfica N° 1 el comportamiento pseudoplástico, donde a mayor velocidad de corte la viscosidad disminuye de manera no lineal. Además en la Tabla N° 6 se confirma que el fluido tiene características de pseudoplasticidad al estar dentro del rango mencionado por RHA (1978), el cual proporciona una clasificación de las características de flujo en los alimentos fluidos, en donde valores de 0 < n < 1 corresponde a un fluido pseudoplástico para un K