Enfriamiento y Congelación

8/17/2019 Enfriamiento y Congelación

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Enfriamiento y congelación de alimentos

Una de las mayores dificultades a la que se enfrenta la industria alimentaria es la eliminación y

el control efectivo la actividad bacteriana. Para ello, una de las armas más eficientes en la lucha

contra las bacterias es el uso de la congelación y la refrigeración de alimentos.

Cuando la temperatura es inferior al punto de congelación, la velocidad de crecimiento de los

microorganismos disminuye rápidamente, esto se debe no sólo al descenso de la temperatura del

producto, sino también a que se reduce el contenido de humedad, por lo que se despoja a losmicroorganismos del agua que necesitan para metabolizarse.

La velocidad de congelación determina la distribución y tamaño de los cristales en los tejidos. Si

es lenta, serán grandes y aparecerán principalmente fuera de las células, generando su

compresión mecánica, con el consecuente aplastamiento y ruptura de paredes celulares. A altas

velocidades de congelación hacen que se formen cristales pequeños dentro y fuera de la célula, produciéndose así menos deterioro.

Utilizando la criogenización en alimentos, se garantiza la formación de pequeños cristales deforma uniforme por todo el producto, el agua dentro y fuera de las células se congela a la misma

velocidad, asegurando que las células permanezcan intactas y que el alimento conserve su

frescor, sabor y textura.

Radiación, conducción y convección: Tres formas de transferencia de calor.

Uno de los temas más tratados en Nergiza aunque de forma indirecta es la transferencia de calor,

ya sea en forma de calefacción, aire acondicionado o pérdidas energéticas. Es por esto que hoy

queremos aclarar las tres formas básicas de transmisión de calor que existen: radiación,

conducción y convección.

Conducción

Es la más sencilla de entender, consiste en la transferencia de calor entre dos puntos de un cuerpoque se encuentran a diferente temperatura sin que se produzca transferencia de materia entre ellos.

Ejemplo:

Tengo una barra metálica con un extremo a 80ºC y otro a temperatura ambiente, si no tengo

ninguna otra influencia externa y el extremo caliente se mantiene a 80ºC, habrá una transferencia

de calor por conducción desde el extremo caliente hacia el frío incrementando la temperatura deeste último


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Radiación

Es el calor emitido por un cuerpo debido a su temperatura, en este caso no existe contacto entre

los cuerpos, ni fluidos intermedios que transporten el calor. Simplemente por existir un cuerpo A

(sólido o líquido) a una temperatura mayor que un cuerpo B existirá una transferencia de calor por radiación de A a B.

Para que este fenómeno se perciba es necesario un cuerpo a una temperatura bastante

elevada ya que la transferencia térmica en este caso depende de la diferencia de temperaturas a la

cuarta potencia: Ta4-Tb4.

Ejemplo:Dejas tu coche aparcado en la playa un día no muy caluroso, al volver te apoyas sin querer en el

capó del coche y el grito se oye a varios kilómetros de distancia. En este caso aunque el sol se

encuentra a bastante distancia de nuestro coche, su temperatura absoluta es tan alta que hace quela transferencia por radiación sea muy importante. Aquí no tiene apenas influencia que el aire

ambiente esté caliente ya que si hubiéramos dejado el coche a la sombra esto no ocurriría.

Convección

En este sistema de transferencia de calor interviene un fluido (gas o líquido) en movimiento quetransporta la energía térmica entre dos zonas.

La transmisión de calor por convección puede ser:

Forzada: a través de un ventilador (aire) o bomba (agua) se mueve el fluido a través de una zona

caliente y éste transporta el calor hacía la zona fría.

Natural: el propio fluido extrae calor de la zona caliente y cambia su densidad haciendo que se

desplace hacía la zona más fría donde cede su calor.

Ejemplo:Si enciendo un radiador y espero a que alcance una temperatura bastante alta, no tengo más que poner una mano encima (a una distancia prudencial) para ver que existe un flujo de aire por

convección natural. El aire alrededor del radiador se calienta disminuyendo su densidad, por lo

tanto, al pesar menos que el aire ambiente, fluye hacia arriba dando paso a un “aire de renovación”alrededor del radiador, reiniciando el proceso de forma cíclica.


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Finalmente, os dejamos una imagen que resume perfectamente los tres métodos de transferenciade calor: conducción, convección y radiación.

El coeficiente de transferencia de calor es la relación entre la cantidad de calor que atraviesadurante una unidad de tiempo, una pared de separación entre dos fluidos a diferente temperatura

y el producto de la superficie de la pared por el desnivel o salto térmico. Se expresa en w/m2°C.

El valor del coeficiente de transferencia de calor depende de la naturaleza de los fluidos y de la

pared en contacto. Su conocimiento es fundamental para el cálculo de las dimensiones de las

superficies irradiantes.

1 Lechuga fue enfriada al vacío y entonces cargada en una cava de congelación para enviarla al

mercado. El viaje tendrá una duración de 48 h. Calcular la cantidad de calor removido y la cargamáxima de refrigeración (máxima velocidad de eliminación de calor), si la cantidad de lechuga

cargada es de 3.000 kg, la temperatura en la cava es de 2 °C, la temperatura de la lechuga

cargada es 5 °C y caerá a 2 °C en 2 h, la capacidad calorífica de la lechuga es de 4,02 kJ/kg°C,el área de las paredes de la cava es 80 m2, el coeficiente de transferencia de calor para las

paredes es de 0,3w/m2°C, la temperatura del aire en el exterior es 20 °C y el calor de respiración

de la lechuga en el rango de temperatura de 2 a 5 °C es 3,5*10-2 w/kg.

Etapa 1: Estado de supuestos

La temperatura interna de la cava es 2°CLa cava está bien cerrada y las fugas de aire son insignificantes.El enfriamiento de material de embalaje no se tiene en cuenta

Etapa 2: Calcular la carga de refrigeracióna) Calor sensible que debe ser eliminado para enfriar el producto de 5 °C a 2 °C


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4

kJ C C kg

kJ kg t t mcq f i p 36180)25(*)

02,4(*)3000()(1

b) Calor de respiración

kJ hh

s

J

kJ

skg

J kg mqq R 1814448*)

1

3600*

1000

1*10*5,3(*)3000( 22

c)

Pérdidas de calor

kJ hh

sC

J

kJ

C sm

J mt t t AU q f a 7465048*

1

3600*)220(*)

1000

1*3,0(*)80()(

2

2

3

Etapa 3: Calcular la cantidad total de calor removido

321 qqqq =128974kJ

Etapa 4: Calcular la carga total del pico de refrigeración

a) Calor sensible

kw s

kJ

t

q

q p 025,53600*2

3618011

b) Calor de respiración

kww

kw

kg

wkg q p 105,0

1000

1*

10*5,3*)3000(

2

2

c) Pérdida de calor

kww

kwC

C m

wmt t AU q f a p 432,0

1000

1*)220(*)

3,0(*)80()(

2

2

3

d) Pico total de refrigeración

kwqqqq p p p p 562,5321

Máquina frigorífica

Una máquina frigorífica es un dispositivo cíclico que transfiere energía térmica desde una

región de baja temperatura hasta otra de alta temperatura, gracias al trabajo aportado desde elexterior 1 , generalmente por un motor eléctrico. Los ciclos en los cuales operan se llaman ciclos

de refrigeración, de los cuales el empleado con más frecuencia es el ciclo de refrigeración por

compresión de vapor.

Diagrama del ciclo de una máquina frigorífica por compresión simple: 1) condensador,

2) válvula de expansión, 3) evaporador, 4) compresor.

https://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_frigor%C3%ADfica#cite_note-1https://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_frigor%C3%ADfica#cite_note-1https://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_frigor%C3%ADfica#cite_note-1https://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_frigor%C3%ADfica#cite_note-1


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Los fluidos de trabajo utilizados en estos ciclos se llaman refrigerante o fluidos frigorígenos,

que en distintas partes de la máquina sufren transformaciones de presión, temperatura y fase(líquida o gaseosa) y mediante las cuales se realiza la transferencia de energía.

Una máquina frigorífica debe contener como mínimo los cuatro siguientes elementos:

1.

El compresor es el elemento que suministra energía al sistema. El refrigerante llega en estadogaseoso al compresor y aumenta su presión.

2. El condensador es un intercambiador de calor, en el que se disipa el calor absorbido en el

evaporador (más adelante) y la energía del compresor. En el condensador el refrigerante cambiade fase pasando de gas a líquido.

3. El refrigerante líquido entra en el dispositivo de expansión donde reduce su presión. Alreducirse su presión se reduce bruscamente su temperatura.

4. El refrigerante a baja temperatura y presión pasa por el evaporador, que al igual que el

condensador es un intercambiador de calor, y absorbe el calor del recinto donde está situado. El

refrigerante líquido que entra al evaporador se transforma en gas al absorber el calor del recinto.Tanto en evaporador como en el condensador la transferencia energética se realiza

principalmente en forma de calor latente.

Resumiendo, el evaporador absorbe el calor del recinto que queremos enfriar, el compresor

aumenta la presión del refrigerante para facilitar la condensación posterior y posibilitar la

circulación del fluido. La válvula de expansión reduce la presión provocando el enfriamiento delrefrigerante.

Económicamente hablando, el mejor ciclo de refrigeración es aquel que extrae la mayorcantidad de calor (Q2) del foco frío (T2) con el menor trabajo (W ). Por ello, se define

la eficiencia o COP (que no es lo mismo que rendimiento) de una máquina frigorífica como el

cociente Q2/W:

Eficiencia =21

22

QQ

Q

W

Q

Q2 Representa el calor extraído de la máquina frigorífica por los serpentines refrigerantessituados en su interior (congelador).

W Es el trabajo realizado por el motor que acciona el compresor.

Q1 Es el calor cedido a los serpentines (o radiador) refrigerantes exteriores (en la parte posterior

del aparato y que se elimina al ambiente por una circulación de aire (natural o forzada con

auxilio de un ventilador, caso de los aparatos de aire refrigerado).

Gas refrigerante HFC 134ª

El R-134a es un excelente refrigerante utilizado en una gran variedad de aplicaciones e inclusocomo componente de muchas de las mezclas HFC existentes en el mercado. Permite trabajar a

presiones más bajas que el resto de HFC y es un producto muy eficiente energéticamente para

temperaturas positivas y medias.

Aplicaciones:

· Aire acondicionado del auto.

https://es.wikipedia.org/wiki/Compresor_(m%C3%A1quina)https://es.wikipedia.org/wiki/Condensador_(termodin%C3%A1mica)https://es.wikipedia.org/wiki/Dispositivo_de_expansi%C3%B3nhttps://es.wikipedia.org/wiki/Evaporadorhttps://es.wikipedia.org/wiki/Calor_latentehttps://es.wikipedia.org/wiki/Eficienciahttps://es.wikipedia.org/wiki/COP_(t%C3%A9rmico)https://es.wikipedia.org/wiki/Rendimiento_t%C3%A9rmicohttps://es.wikipedia.org/wiki/Rendimiento_t%C3%A9rmicohttps://es.wikipedia.org/wiki/COP_(t%C3%A9rmico)https://es.wikipedia.org/wiki/Eficienciahttps://es.wikipedia.org/wiki/Calor_latentehttps://es.wikipedia.org/wiki/Evaporadorhttps://es.wikipedia.org/wiki/Dispositivo_de_expansi%C3%B3nhttps://es.wikipedia.org/wiki/Condensador_(termodin%C3%A1mica)https://es.wikipedia.org/wiki/Compresor_(m%C3%A1quina)


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· Frigoríficos domésticos.

· Enfriadores de agua centrífugos.· Bombas de calor.

· Cámaras de conservación.

· Transporte frigorífico.

· Refrigeración comercial.

Aplicaciones

Temperaturas Altas

Temperaturas Medias

Instalaciones nuevas

Retrofit

Características

No daña la capa de ozono, ODP = 0.

Pueden rellenarse los equipos en caso de fuga.

Alcanzan una capacidad frigorífica ligeramente inferior al R-12. Muy eficiente energéticamente aunque precisa de un compresor mayor respecto otros

refrigerantes HFC.

Potencial de calentamiento atmosférico PCA (GWP) = 1430

Punto ebullición a 1,013 bar (ºC): -26,1

Deslizamiento de temperatura ó glide (ºC): 0

Densidad vapor saturado a -26,1ºC (kg/m3): 5,28

Nº ONU: 3159

Clasificación seguridad: A1. Baja toxicidad y no inflamable.

2 El enfriamiento del ejemplo 1 está provisto de un sistema de refrigeración mecánica usando

refrigerante HFC – 134ª siendo la temperatura en el evaporador -5 °C y la temperatura delcondensador 40 °C. Un diagrama del sistema de refrigeración, que representa las condiciones de

los puntos principales del sistema, sobre una carta presión-entalpia y una carta temperatura-

entropía y calcular el COP. Asuma la unidad de refrigeración operando en condiciones desaturación. Ignore la carga de calor de las personas y otros componentes.

Etapa 1: Dibujar el diagrama del sistema de refrigeración

Etapa 2: Localizar los puntos en las cartas de presión-entalpía y temperatura entropía.


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Etapa 3. Leer presión, entalpía y entropía de la carta presión-entalpía y temperatura-entropía de

refrigerante HFC-134ª.

Punto1 = P1 = 243kPa, H1vapor saturado = 396kJ/kg, S1vapor saturado = 1,73kJkgK

Punto 2 = P2 = 1018 kPa, H2 vapor supercalentado = 426 kJ/kg, S2 vapor supercalentado = 1,73kJ/kgK

Punto 3 = P3 = 1018 kPa, H3 líquido saturado = 257 kJ/kg, S3 líquido saturado = 1,19 kJ/kgK

Punto 4 = P4= 243 kPa, H4 líquido + vapor = 257 kJ/kg, S4 líquido + vapor = 1,21 kJ/kgK

Etapa 4. Escribir un balance de entalpía en el evaporador

mH4 + qe = mH1 qe = m (H1 – H4)

Etapa 5: Escribir un balance de entalpía en el compresor

Etapa 6: Resolver la ecuación qcom y encontrar la rata de trabajo donado por el compresor sobre

el refrigerante.

qcom = m(H2-H1)

Etapa 7: Calcular el COP


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8

6,4396426

257396

)(

)(

12

41

H H m

H H m

q

qCOP

com

e

Comentario: El valor calculado de COP es alto, dadas las condiciones ideales asumidas.

Actualmente el valor COP usual está en el rango de 1 a 2.

Actividad el agua (aw)

La actividad de agua (aw) es la cantidad de agua libre en el alimento, es decir, el aguadisponible para el crecimiento de microorganismos y para que se puedan llevar a cabo diferente

reacciones químicas. Tiene un valor máximo de 1 y un valor mínimo de 0. Cuanto menor sea

este valor, mejor se conservará el producto. La actividad de agua está relacionada conla textura de los alimentos: a una mayor actividad, la textura es mucho más jugosa y tierna; sin

embargo, el producto se altera de forma más fácil y se debe tener más cuidado.

A medida que la actividad de agua disminuye, la textura se endurece y el producto se seca másrápido. Por el contrario, los alimentos cuya actividad de agua es baja por naturaleza son más

crujientes y se rompen con facilidad. En este caso, si la actividad de agua aumenta, sereblandecen y dan lugar a productos poco atractivos. En ambos casos, el parámetro de la

actividad de agua del alimento es un factor determinante para la seguridad del mismo y permite

determinar su capacidad de conservación junto con la capacidad de propagación de los

microorganismos.

Cuanto menor es la actividad de agua de un alimento, mayor es su vida útil. Es importante

diferenciar entre cantidad de agua y actividad de agua. El primer término hace referencia a lacantidad total de agua presente en el alimento, aunque puede ser que no esté libre para

interaccionar. La actividad de agua, en cambio, hace referencia solo a la cantidad de agua libreen el alimento y disponible para reaccionar, es decir, la que puede facilitar la contaminación del producto.

Los alimentos con baja (aw) se conservan en óptimas condiciones durante períodos más largosde tiempo. Por el contrario, aquellos cuya actividad de agua es elevada están sometidos

a contaminación microbiológica y su conservación es mucho más delicada. Por esta razón, en

alimentos más perecederos se utilizan técnicas de conservación como la evaporación, secado o

liofilización para aumentar así su vida útil. La actividad de agua es un parámetro que estableceel inicio o final del crecimiento de muchos microorganismos. La mayoría de patógenos

requieren una aw por encima de 0,96 para poder multiplicarse. Sin embargo, otros pueden

existir en valores inferiores. Algunos hongos son capaces de crecer en valores inferiores a 0,6.

3 Calcular la actividad de agua del pan congelado a -10 °C.

La actividad de agua a temperaturas bajo cero depende sólo de la temperatura. Se puede calcular

de la Ref . 11

http://www.consumer.es/seguridad-alimentaria/ciencia-y-tecnologia/2009/03/09/183869.phphttp://www.consumer.es/seguridad-alimentaria/ciencia-y-tecnologia/2008/08/28/179635.phphttp://www.consumer.es/seguridad-alimentaria/ciencia-y-tecnologia/2008/08/28/179635.phphttp://www.consumer.es/seguridad-alimentaria/ciencia-y-tecnologia/2009/03/09/183869.php


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908,0

0969,0)10(*00969,000969,0)ln(

aw

T aw

4 Calcular el peso molecular efectivo de solutos, así como la fracción en peso de agua enlazada,de agua congelable, y de hielo, para carne magra de ternera a -20 °C, si el contenido de

humedad de la carne no congelada es del 71,7 % y del punto de congelación inicial es -1.7 °C.

Paso 1. Suposiciones: El coeficiente de actividad para el agua en la carne de vacuno es 1.

Paso 2. Calcular Xw la fracción molar efectiva de agua en la comida descongelada:

0165,0)273)(/314,8(

)3,271273(*)/6,333(*)/02,18(

)(02,18)ln(

2

2

K kmolK kJ

C kg kJ kmol kg

RT

T T H X

o

oow

Lo cual produce Xw = 0,9836

Paso 3 Calcular el peso molecular efectivo de los solutos en la comida, Ms.

La fracción molar del agua de los alimentos es:

s

swo

wo

w

M X X

X

X

02,18

02,18

Resolviendo para Ms

6,426)9836,01(717,0

)717,01)(9836,0(02,18

)1(

)1(02,18

wwo

wow s

X X

X X M

Donde Xwo es la fracción de agua en peso en el alimento y Xs es la fracción de sólidos en el

alimento (Xs = 1-Xwo)Paso 4 Calcular la fracción en peso de agua enlazada, Xwb: Supongamos que b = 0,32 kg de agua

unidas / kg de soluto (valores típicos para la constante b se dan en la Ref . 10) :

091,0)717,01(32,01(* wo swb X b X b X

o el 9,1 % de los alimentos está enlazada a agua no congelable

Paso 5 Calcular la fracción en peso de agua congelable, Xwf

Xwf = Xwo – Xwb = 0,717 – 0,091 = 0,626

O 62,6% del alimento es agua congelable


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Paso 6 Calcular la fracción en peso de hielo en el alimento. xi

578,0))20(0

)20(7.1((*)085,0717,0(

)(

)(*)(

lim../....085,0283.*299,0

....../......2999,06,426

02,185,032,05,0..

)(

)(*)(

0

0

T T

T T Bx X x

entoakg enlazadaaguakg Bx

y solutodekg enlazadaaguakg M M b B Donde

T T

T T Bx X x

if

swoi

s

s

w

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swoi

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