4TO INFORME DE FIQUI difusividad térmica

Determinación de la difusividad térmica

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA

PROFESOR(A): Ing. Laura Linares García FACULTAD: Industrias Alimentarias CURSO: Laboratorio físico-química de alimentos TEMA: Determinación de la difusividad térmica GRUPO: B INTEGRANTES: –

Álvarez Guerra, David

–

Cano Moore, Natalia

–

Pinto Pareja, Andrea

–

Vilchez Franco, Manuel

2010


I.

INTRODUCCIÓN

I.- NTRODUCCIÓN Las propiedades térmicas de los alimentos resultan de interés durante las operaciones de transformación y procesado de alimentos en la industria alimentaria. Una de estas propiedades es la difusividad térmica, definida como una medida de la rapidez del cambio de temperatura cuando hay calentamiento o enfriamiento. La difusividad térmica es una propiedad importante que nos sirve de mucho en la realidad para poder crear, optimizar, adecuar o mejorar un proceso de producción producción dependien dependiendo do de las caracterís características ticas específic específicas as del alimento; alimento; también se pueden diseñar máquinas especializadas basándose en esta propiedad. En el siguiente informe se presenta un método experimental para determinar la difusividad térmica del arroz utilizando para ello un equipo llamado DataTrace que con los datos que se obtengan obtengan de éste, se aplican ecuaciones que nos permiten hallar la difusividad del arroz.

I.1.

OBJ OBJETIVOS –

Hallar experimentalmente la difusividad térmica de un alimento (en este caso el arroz) usando el DataTrace, plasmar los resultados en gráficas y cuadros para que se puedan comparar con datos de fuentes bibliográficas y también del programa Costherm.

I.

MATERIALES Y MÉTODO ODOS


2.1. Materiales ○

Célula cilíndrica de acero inoxidable

○

Baño recirculante de agua con temperatura controlada

○

Muestra: Arroz

○

Registrador de temperatura: Datatrace Temp.

○

Computadora

○

Balanza de precisión

2.2. Métodos ○

Programar el registrador de temperatura Datatrace para que registre la

○

temperatura cada treinta segundos Calentar el baño hasta la temperatura de trabajo(75 ºC)

○

Colocar la muestra de alimento (300 g aprox.) dentro de la célula.

○

Cerrar la célula y colocar el registrador de temperatura (Datatrace) en el eje central de modo que el bulbo quede en el centro geométrico del sistema.

○

Esperar 45 minutos mientras el Datatrace registra la temperatura.

○

Retirar el registrador de temperatura.

○

Leer el archivo de datos generado

○

Grabar el archivo

○

Apagar el baño

○

Calcular la difusividad térmica usando la ecuación mediante el software adecuado.


III.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Cuadro3.1 Resultados experimentales extraidos del software DATATRACE Tiempo (min)

Temperatu ra en el punto más frío T(ºC)

Temperatu ra media en toda la muestra (Ti)

A

B

Nº Difusividad Fourier Térmica x 10-6 (m2/s)

112

76.50

78.83

0.0596

0.0596

0.5713

3

3

7

0.4897

Fuente : propia

Cuadro3.2 Propiedades Termo-físicas del arroz utilizando el programa COSTHERM

Temp. ºC

Thermal conductivity W/M,K

Thermal diffusivity M**2/S

Enthalpy KJ/KG

Specific heat KJ/KG,K

Ice fraction

78.8

0.2290

0.1451E-06

131.0807

1.6628

0.0000

Fuente: COSTHERM, 2010 Según El Centro Nacional de Alimentación y Nutrición (1996), la composición alimenticia del arroz pilado o pulido crudo es: Agua: 13.1 % Proteína: 8.2 %


Grasa: 0.5% Carbohidratos: 77.8% Minerales: 0.4%

Cuadro3.3 Resultados comparativos de las tres fuentes usadas Difusividad x 10-6 (m2/s)

Experimental Costherm Teórico(Dutta,1998)

0.04897 0.1451 0.0946

Gráfica 3.1 (Temperatura vs Tiempo)

Grafica 3.2 (Difusividad Térmica versus Temperatura)


Difusividad térmica Esta propiedad es una medida de la cantidad de calor difundida a través de un material en calentamiento o enfriamiento en un tiempo determinado y está definida como el cociente de la conductividad térmica por el producto de la densidad y el calor específico (Mohsenin, 1980). Para un volumen dado de material, el calor necesario para aumentar la temperatura depende de su capacidad de calor o calor específico (caloría por gramo por grado Kelvin) y de la densidad (gramo por centímetro cúbico). Cuando el producto de la capacidad de calor y la densidad es alto, la difusividad térmica será baja, aunque la conductividad térmica sea relativamente alta. Por consiguiente, tanto la difusividad térmica como la conductividad térmica son parámetros importantes para predecir la transferencia térmica a través de un material (Anusavice, 2004). Cuan Cuando do la tran transf sfer eren enci cia a de calo calorr ocur ocurre re por por cond conduc ucci ción ón más más que que por por convección, la difusividad térmica resulta importante. La difusividad térmica está relacionada con la conductividad térmica, densidad y calor específico del producto y determinan la tasa de propagación de calor a través del alimento (Mohsenin, 1980; Fellows, 1988).

El arroz utilizado para la práctica fue el denominado arroz pilado o pulido crudo, o al mismo tiempo cotidianamente conocido como arroz blanco. El arroz pilado es el producto final principal obtenido del procesamiento en el molino arrocero. El grano pilado corresponde al endospermo, es de color blanco perlado o cristalino. Se le han retirado las envolturas (cáscaras y cutícula) y se han desprendido los embriones (ñelén). El procesamiento en el molino mol ino ha pro produc ducido ido un cie cierto rto por porcen centaj taje e de gra granos nos rot rotos os y que quebra brados dos,, porcentajes que son el principal indicador para la clasificación por calidad. El


arroz pilado representa aproximadamente del 68 al 71% del peso original del arroz en cáscara (Información (Información sobre la cultura y el comercio del arroz, 2006). 2006) . Según Información de mercado sobre productos básicos (2008), el arroz blan blanco co es desc descas asca cari rillllad ado o y puli pulido do.. Ha perd perdid ido o una una gran gran part parte e de sus sus elemen elementos tos nutrit nutritivo ivoss y contie contiene ne partic particula ularme rmente nte menos menos niacin niacina, a, tiamin tiamina, a, magnesio, zinc, hierro y fibras que el arroz pardo. En algunos países, como en los Estados Unidos, el arroz blanco puede ser untado con silicato de magnesio o recubierto con una mezcla de glucosa y de talco ("arroz pulido", "arroz glaseado").

Como Como se puede puede ver ver en el Cuadro Cuadro3.2 3.2 , utilizando el programa Costherm el valor de la conductividad conductividad térmica del arroz, 0.2290 0.2290 W/m.K es muy similar similar al valor teórico teórico de 0.22 W/m.K W/m.K del Cuadro Cuadro 8.1 del Anexo Anexo 8.1 , hallado hallado por Bartelt Bartelt (2004) (2004) y al rango rango de valores valores del Cuadro Cuadro 8.2 8.2 del Anexo Anexo 8.2 hallados hallados por Ramesh (2000), dentro del cual se encuentra este valor, con esto nos podemos dar cuenta de la exactitud con la trabaja este programa. Además según Dutta (1998), la difusividad térmica aumenta con el increm increment ento o del conten contenido ido de agua agua y dismin disminuye uye con el increm increment ento o en temperatura. Con el rango entre la temperatura y el contenido de agua entre 293 a 307 K y 12·5 a 26·5% respectivamente sus valores oscilan entre 0.0946 × 10−6 a 0.1635 × 10 −6 m2/s, esto también tiene una semejanza con el valor hallado hallado con el programa programa Costherm Costherm y se encuentra encuentra dentro del rango de valores hallados por Arrehenius (1901) en el Cuadro 8.3 del Anexo 8.3 . La conductivi conductividad dad térmica térmica y la difusivida difusividad d térmica es afectada afectada tanto tanto por la composición y la densidad del alimento, como por la temperatura. Por esto es generalmente muy difícil determinar la conductividad o la difusividad térmica que otras propiedades propiedades termofísicas. termofísicas. (Choi y Okos, 1986). 1986).


Según Peleg (1993) los valores de la difusividad térmica para alimentos se encuentran en el rango de 1 a 2 x10 -7 m2/s y es directamente proporcional a la temperatura . Lo cual se confirma al observar los valores mostrados en el Cuad Cuadro ro 3.3 3.3 en el cual cual las las difu difusi sivi vida dade dess térm térmic icas as para para las las tres tres fuen fuente tess utilizadas varían en el rango mencionado. Según Alberto Ibarz (2005) Una propiedad muy utilizada en los cálculos de tran transm smis isió ión n de calo calorr es la difu difusi sivi vida dad d térm térmic ica, a, que que se defi define ne segú según n la expresión : α=K/ρCp Donde: K: conductividad térmica ρ: densidad Cp: calor específico a presión constante De lo anterior mencionado se deduce que la difusividad térmica es una propiedad termofísica que está muy ligada a la conductividad térmica (K) , la cual cual según según Lewis Lewis (1993) (1993) para para materi materiale aless estruc estructu turad rados os (part (particu icular larmen mente te metales) cambia considerablemente con la temperatura. Sin embargo en la mayoría de los alimentos el efecto de la temperatura es poco pronunciado. De lo cual se sabe que debido a que la temperatura no tiene un gran efecto sobre la conductividad térmica y siendo ésta una variable determinante en el cálculo de la difusividad térmica, esta última dependerá de la temperatura , pero su variación con respecto a ella no será muy significativa. Lo cual se confirma al observar la Gráfica 3.2 en la cual los pequeños cambios en la temperatura, producen tan solo ligeros cambios en la difusividad térmica.

V. RECOMENDACIONES RECOMENDACIONES

–

Se debe tener la balanza correctamente calibrada.


–

Antes de pesar la cantidad de muestra del alimento, primero debemos tarar el peso del beacker o vaso de precipitado para solamente medir la masa de la muestra que queremos pesar.

–

Los ensayos deben ser los mas repetitiv repetitivos os y continuos continuos posibles posibles para evitar factores externos a largo plazo que puedan irrumpir en los datos.

–

Aseg Asegur urar arse se de revi revisa sarr el equi equipo po Data Datatr trac ace e para para no tene tenerr fall fallas as técnicas. Como por ejemplo que la batería esté mal cargada.

–

Tener el software correcto para hacer la lectura del Datatrace al instante.

VI. CUESTIONARIO 1.- ¿Cuál es la importancia de la Difusividad en el procesamiento de alimentos? (Cite 2 ejemplos concretos) –

Según Salamanca y Pérez (2001), las propiedades térmicas de los alimentos resultan de interés durante las operaciones de transf transform ormaci ación ón y proces procesado ado,, bien bien en condic condicion iones es de refrig refrigera eració ción n secado y esterilización. La miel de Apis mellifera bajo ciertas circun circunsta stanci ncias as puede puede ser someti sometida da a calent calentami amient ento o por ello ello las propiedade propiedadess de transmisi transmisión ón de calor pueden aportan información información útil durante las operaciones de balance de materia y energía. Según Salamanca y Pérez (2001), la Difusividad térmica ( , no es otra que la relación entre la conductividad térmica y el calor especifico 

multiplicado por su densidad, esta propiedad aporta información a cerca de la velocidad con la cual la miel es calentada o enfriada; esta propiedad es de particular interés cuando la depresión del punto de congelación para una solución de miel al 15% esta en el rango de -1.42 a -1.53 °C, (29.44 a 29.25 °F), mientras que soluciones al 68% es del orden de los –5.8 º C (21.6 °F).


Por lo tanto, las propiedades descritas por Salamanca y Pérez (2001) indican que conforme a los niveles de cada uno de los componentes de las mieles en las zonas geográficas de origen y el contenido de humedad, los productos presentan marcadas diferencias y que podrían ser consideradas dentro de los criterios analíticos para la tipificación de los tipos de miel ya sea como monoflorales, multiflorales o de mielada. –

Giraldo et. al (2008), presenta un artículo de investigación sobre las propiedades termofísicas del jugo concentrado de lulo a temperaturas por encima del punto de congelación. Según Giraldo et. al (2008), el conocimiento de las propiedades termofísicas del jugo de lulo en un amplio rango de concentraciones y temperaturas es de gran import importanc ancia ia en la indust industria ria de jugos jugos concen concentra trados dos refri refriger gerado adoss o congelados, ya que son vitales en operaciones unitarias como bombeo, intercambio de calor, evaporación, congelamiento y secado, las cuales deben ser correctamente proyectadas y controladas. Según Gómez et. al (2004) citado por Giraldo et. al (2008), (2008), el lulo de castilla o naranjilla (Solanum quitoense Lam) es una planta originaria de los Andes Sudamericanos, típica en Colombia en las regiones húmedas de clima medio y frio moderado, en donde crece en forma espont espontáne ánea a o en siembr siembra. a. Su cultiv cultivo, o, aunque aunque muy incipi incipient ente, e, se encuentra a lo largo del callejón interandino entre Colombia y Ecuador. Este se desarrolla bien entre los 1600 y 2500 m de altitud con temperaturas entre los 22 y 25 °C. Como se describe, el lulo es un fruto muy incipiente y por ello no hay bibliografía con la que se pueda comparar. Las propiedades térmicas como la difusividad térmica tienen un rol importante en este aspecto, ya que si no hay bibliografía al respecto, se tienen que conocer estas propiedades para la optimización de los procesos unitarios a aplicar.

2.- Existen otros métodos para determinar la difusividad térmica en los alimentos. ¿Cuáles son? Adjunte la información.

El valor de la difusividad térmica de un alimento dado puede calcularse si se conocen su conductividad térmica, densidad y calor específico. Sin embargo,


existen expresiones matemáticas que permiten calcular la difusividad térmica según su contenido de agua (Ibarz y Barbosa-Cánovas, 2005). A contin continuac uación ión se muest muestran ran alguno algunoss método métodoss para para hallar hallar la difusi difusivid vidad ad térmica en los alimentos: –

Martens (1980) citado por Ibarz y Barbosa-Cánovas (2005), da la siguiente ecuación:

En la que α es la difusividad térmica en m 2/s, Xmagua la fracción másica de agua y T la temperatura en Kelvin. –

Dickerson (1969) citado por Ibarz y Barbosa-Cánovas (2005), da una expresión en la que la difusividad térmica del alimento sólo es función del contenido de agua y de la difusividad térmica de la misma:

–

Choi y Okos (1986) citado por Ibarz y Barbosa-Cánovas (2005), al igual que otras propiedades propiedades térmicas térmicas expresan expresan la difusivid difusividad ad térmica térmica en función de los componentes:

Siendo αi la difusividad térmica del componente i y X iv la fracción volumétrica de dicho componente.


3.- ¿Existe diferencia en la relación temperatura – difusividad cuando se trabaja con alimentos líquidos y sólidos? Si existe, ¿por qué ocurre esto?

Según Carranza (2008), la difusividad es dependiente de la Temperatura:

La relación entre la difusividad térmica (α) y la temperatura (T) es singular para productos alimenticios y sus características representan un reto significativo en la obtención de soluciones numéricas a la ecuación con α en el corchete. Un ejemplo de esta relación predicha por métodos debidos a Heldman (1982) citado por Carranza (2008) aparece en la siguiente Figura 6.1

Figura 6.1: Relación Difusividad Térmica – Temperatura


Fuente: Carranza (2008)

La difu difusi sivi vida dad d térm térmic ica a de sóli sólido doss y líqu líquid idos os van van a segu seguir ir una una mism misma a tendencia. Los valores de la difusividad térmica para alimentos se encuentran en el rango de 1 a 2 x10-7 m2/s y es directamente proporcional a la temperatura (Peleg, 1983). Pero Pero exis existe te un inco inconv nven enie ient nte e en los los líqu líquid idos os al mome moment nto o de hall hallar ar la difusivida difusividad d térmica, térmica, que es la concentrac concentración. ión. Según Tadini Tadini et. al (2005), la concentración es inversamente proporcional a la difusividad térmica y la temperatura es directamente proporcional a esta. Esto se puede observar en el Cuadro 6.1 Pero Tadini et. al (2005) realizó un trabajo de investigación sobre la influencia de la temperatura y la concentración en las propiedades termofísicas de un jugo de caja, en el que explica que con el aumento de la temperatura la concentración también aumenta debido a que hay una pequeña evaporación de humedad y lo que se ve reflejado es una disminución de difusividad térmica. Cabe decir, que utilizó el método propuesto por Dickerson en 1965. En contraste con ello, los sólidos no presentan una humedad relativa alta como en los líquidos y por ello es que no se presenta este efecto y la difusividad sigue su relación normal con la temperatura.

Cuadro Cuadro 6.1: Conductividad térmica, densidad y difusividad térmica experimental y calor específico calculado, en función de la Temperatura y concentración de cada jugo de caja.


Fuente: Tadini et. al (2005)

VII.- BIBLIOGRAFIA


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Alberto Ibarz y Gustavo V. Barbosa-Canovás,2005,Operaciones unitarias en la ingeniería de alimentos, alimentos, Editorial Editorial aedos s.a. España.

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Centro Nacional de Alimentación y Nutrición. 1996. Tablas Peruanas de Composición de Alimentos. Ministerio de Salud. Sétima Edición.

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PELEG, M. 1983. Physical Properties of Food. AVI Pubhising Company, INC. Westport, Connecticut.pp13 -16.

–

Ramesh, M. N. 2000. E ﬀ ect ect of cooking and drying on the termal conductivity of rice. International Journal of Food Properties. pp 77– 92.


VIII.-ANEXOS

Anexo 8.1 Cuadro 8.1 Propiedades Térmicas del arroz

Fuente: Bartelt, 2004

Anexo 8.2


Cuadro 8.2 Conductividad Térmica de algunos productos

Fuente: Ramesh(2000)

Anexo 8.3 Cuadro 8.3 Rangos aproximados de difusividad efectiva en algunos materiales



Anexo 8.4 Cuadro8.4 Difusividades térmicas de algunos materiales alimenticios

Fuente: Obrego Lazarte Carlos Eduardo (2003)


Anexo 8.5 Cuadro8.5 Difusividad térmica de ciertos alimentos

Fuente: Alberto Ibarz (2005)

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