Diseño de una cámara de congelación para pulpa de aguaje y ungurahui Asignatura : Refrigeración y Congelación PRESENTADO POR - ALEX QUISPE VALLEJOS Universidad Nacional De San Martin 28 de junio del 2017 1
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I.INTRODUCCIÓN
La congelación y el almacenamiento en frío se cuentan entre los métodos más antiguos de conservación de alimentos; asimismo, en la actualidad constituye un método excelente para mantener casi inalteradas durante un tiempo prolongado las características originales de alimentos perecederos. En el proceso de congelación las dos variables más importantes son la velocidad y la temperatura de congelación. Las temperaturas empleadas para congelar los productos alimenticios pueden variar desde aproximadamente –15 a – 40 ºC. La congelación rápida de productos alimenticios, se la conoce en la actualidad como “ultracongelación” y se realiza en sólo unos minutos (máximo de 120), dependiendo de los sistemas empleados, que básicamente son dos: la ultracongelación por aplicación de gases criogénicos (nitrógeno líquido o bióxido de carbono) a bajas temperaturas, con lo que el proceso puede tener lugar en tan solo 1 a 15 minutos y la ultracongelación con equipos mecánicos.
El almacenamiento en congelación se basa en la exposición a temperaturas inferiores al punto de congelación del alimento (por encima de éste se habla de refrigeración). Esto permite conservar los alimentos durante meses e incluso años, ya que impide totalmente la multiplicación de microorganismos y genera una disminución significativa de actividad en las enzimas libres presentes. II. JUSTIFICACIÓN El presente trabajo proyecto de factibilidad recopila la información necesaria tanto de la parte técnica como económica para la implementación de una cámara de congelación de pulpa de frutas de aguaje y ungurahui hasta el almacenamiento de pulpa congelada. El aguaje y el ungurahui por sus características organolépticas y su gran aceptación a nivel regional por que no decir a nivel internacional presenta grandes ventajas para su procesamiento y comercialización frente a otros productos no tradicionales y exportadores la oportunidad de incursionar en el mercado internacional. Por el corto tiempo de proceso de congelamiento mediante el sistema IQF (Individual Quick Frozen) se obtiene una pulpa fresca que al descongelarla presenta características similares a la
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pulpa de una fruta fresca lo que permite su utilización en la elaboración de una amplia gama de productos. La rentabilidad que presenta la implementación del proyecto es alta y los parámetros económicos analizados indican que es factible ponerlo en marcha. III.- Objetivo:
Diseñar una cámara de congelamiento
para conservación de pulpa aguaje y
ungurahui con una capacidad de una tonelada . 3.1 DEFINICION DEL LOCAL Como ya se había establecido, la localización de la cámara de congelación es en la ciudad de yurimaguas Tiene 66 515 habitantes. está a 148 msnm.
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LOCALIZACION EXACTA DE LA CAMARA DE CONGELAMIENTO
Benito Juárez Calle Guanajuato
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,.3. 3
ESPECIFICACIONES DEL DISEÑO 3.3.1 Tamaño de la unidad de enfriamiento. La cantidad de pulpa que se va a conservar se ha definido en una tonelada, para lo cual se realizó un cálculo aproximado de la siguiente forma:
V= m/p = 1000kg/ (1000kg/m3)= 1m3
- T° AMBIENTE = 40°C
Siendo:
- HR = 96%
V= volumen de pulpa a congelar.
- Velocidad del aire = 7 km/h
m= masa en kg de pulpa a conservar. p= densidad del agua en [kg/m3].
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PRODUCTO ELEGIDO Aguaje
Ungurahui
Composición por cada 100 g comestible:
los aguajes son frutas que aportan pocas calorías y cuyo componente más abundante, después del agua, son los hidratos de carbono (fructosa, glucosa y xilitol). Destaca su aporte de fibra, que mejora el tránsito intestinal. En lo que se refiere a otros nutrientes y compuestos orgánicos, las fresas y los fresones son muy buena fuente de vitamina C y ácido cítrico (de acción desinfectante y alcalinizadora de la orina, potencia la acción de la vitamina C), ácido salicílico (de acción antiinflamatoria y anticoagulante), ácido málico y oxálico, potasio y en menor proporción contienen vitamina E, que interviene en la estabilidad de las células sanguíneas y en la fertilidad. La vitamina C tiene acción antioxidante, al igual que la vitamina E y los flavonoides (antocianos), pigmentos vegetales que le confieren a estas frutas su color característico. La vitamina C interviene en la formación de colágeno, huesos y dientes, glóbulos rojos y favorece la absorción del hierro de los alimentos y la resistencia a las infecciones. El ácido fólico interviene en la producción de glóbulos rojos y blancos, en la síntesis material genético y la formación anticuerpos del sistema inmunológico. Darrow, George M. (1966).
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FLUJOGRAMA DEL PROCESO DE CONGELACION AGUAJE Y UNGURAHUI
RECEPCIÓN
DESPATE
Agua, 80 ppm Cloro
LAVADO-DESINFECTADO
PULPEADO
Merma
Impurezas, agua, cloro
Defectuosos
ACONDICIONAMIENTO
Empaque
EMPACADO
Etiqueta
ETIQUETADO
CONGELACIÓN
ALMACENAMIENTO
-32 °C
-18 °C
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DESCRIPCIÓN DEL PROCESO 1.
Recepción: el aguaje y el ungurahui se presentan en sacos para su adecuada estiba y soportar los movimientos a que se van a someter.
2.
Despate: El despate de la fruta se puede realizar de dos formas: Una, directamente en el campo al momento de coger el aguaje y el ungurahui de la planta, con el inconveniente de perder calidad, pues se deja parte de ella en la misma planta, El único objetivo de esta forma de despate es bajar el costo a través de la mano de obra directa en el proceso. La segunda forma, la que se sugiere, es despatar el aguaje y el ungurahui en mesas con cubierta de acero inoxidable diseñadas especialmente con canales para transportarla por medio de agua, lo cual sirve como preparación para el lavado. El agua que se usa para transportar la fresa contiene cloro, 8 ppm (8 Partes por millar) para eliminar bacterias que pudieran traer el agua y la misma fresa.
3.
Lavado: El lavado del aguaje y el ungurahui se llevará a cabo con agua limpia tratada con cloro, 80 ppm, para eliminar bacterias. El mejor método de lavado es a base de agua por aspersión, y vibración, ya que cualquier residuo de tierra o material extraño es separado. El avance del producto
es
exclusivamente por el movimiento vibratorio. 4.
Selección: Se seleccionan el aguaje y el ungurahui magulladas, maltratadas o malogradas de las que se encuentran bien.
5.
Clasificación por tamaño: Esta actividad se lleva a cabo por medio de un clasificador vibratorio que separa la fruta en 4 tamaños de acuerdo con los tamaños demandados en el mercado. El clasificador es una mesa cubierta de aluminio inclinada sujeta a vibración, que cuenta con 3 peines formados por varillas de acero inoxidable de 5 - 16” ( pulgadas de diámetro ), calibradas en relación con los tamaños a separar.
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6.
Empacado: La fresa se lleva directamente por las bandas transportadoras de inspección hasta el lugar donde se recibe normalmente en cubetas, aunque pueden ser botes o tambores, para su empaque.
7.
Etiquetado: Se etiqueta o ponen las claves del producto incluyendo el número de lote, tipo de producto, así como su fecha de producción. Este procedimiento se realiza en forma manual por medio de operarios.
8.
Congelación: La pulpa llega a la cámara de congelación, hasta que alcance una temperatura de -18°C y la temperatura de la cámara de congelación esta a -32°C
9.
Almacenamiento: Se guarda las pulpas (aguaje y ungurahui ) en los lugares apropiados con congelación a -18° C.
PROPIEDADES TÉRMICAS DEL PRODUCTO En el cuadro 1 presentamos las propiedades térmicas de la fresa antes de la congelación y durante la congelación. Cuadro 1. Propiedades Térmicas del Aguaje Temperatura (°C)
Conductividad
Difusividad
Entalpia
Calor
Térmica (W/mK)
Térmica
KJ/Kg
Especifico
m2/s
KJ/Kg K
24
0.5368
0.1394x10-6
78.4512
3.9226
-18
2.184
1.209x10-6
302.00
1.979
Fuente: Programa COSTHERM Características del aguaje Se considera al aguaje como un elipsoide Diámetro: 3.5 cm, Radio: 1.75 cm Temperatura de congelación: -18 °C Temperatura del ambiente: -32 °C Temperatura inicial aguaje y el unguarahui : 20 °C Humedad del aguaje : 90% 10
Dimensión característica: r/3 Factor de forma esfera Ef: 3 Coeficiente convectivo de transferencia d calor para cámara de refrigeración con fuerte corriente de aire: 90 W/ m2°C Densidad de la pulpa de aguaje congelada: 1034.14 kg/m 3 Densidad de la pulpa de aguaje fresca: 962.08 kg/m 3 Calor especifico de la pulpa de aguaje fresca: 3.918 kJ/kg°C Calor especifico pulpa de aguaje congelada: 1.979 kJ/kg°C Coeficiente conductivo de transferencia de calor de la pulpa de aguaje congelada: 2.184 W/m°C Coeficiente conductivo de transferencia de calor de la pulpa de aguaje fresca: 0.579 W/m°C TIEMPO DE CONGELACIÓN DEL PRODUCTO Para la determinación del tiempo de congelación se utilizó el Método de Pham, para ello se hicieron algunos cálculos previos para la solución de la fórmula.
Cálculos
[
]( )
N Bi dc ΔH 1 ΔH 2 t= + 1+ E f h ΔT 1 ΔT 2 2
Tfm = 1.8 + 0.263Tc + 0.105Ta Tfm= 1.8 + 0.263(-18) + 0.105(-32) = -6.294
(
ΔT 1 =
T i +T fm
2 ΔT 2 =T fm−Ta
)
−Ta
11
ΔT1=
(20+(−62 . 294 ) )−(−32 )=38 . 853
ΔT2= -6.294 – (-32) = 25.706
ΔH 1=ρU c U ( T i −T fm )
ΔH1= 962.08kg/m3x 3.918 kJ/kg°C x [20-(-6.294)] °C = 99113.38 kj/m 3
ΔH 2= ρf [ Lf + c f ( T fm −T c ) ]
ΔH2= 1034.14 kg/m3x[0.9x333.6 kj/kg + 1.979 kj/kg°C x (-6.294-(-18))] °C = 334447.26 kj/m 3
hxLc N Biot:
KF
=
hxR 90 x 0. 0175 3 K F = 3 x 2. 184 =0 .24
0 . 0175 3 99113380 334447260 0 .24 T= x + x 1+ 3 x 90 38 . 853 25 . 706 2
[
](
)
=376.55
Tiempo de congelación de la pulpa de aguaje : 376.55 segundos es decir 6.3 minutos
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DIMENSIONES DE LA CÁMARA DE CONGELACIÓN Paneles rígidos de espuma de poliisocianurato (PIR) revestida por las dos caras con un complejo multicapa de papel kraft-aluminio
Para determinar las dimensiones de la cámara, se determinaron las dimensiones de los carritos, de tal manera que ingresen 10 carritos con 20 bandejas cada uno. Para ello se estimó aproximadamente la cantidad de pulpa de aguaje y ungurahui distribuidas uniformemente en una bandeja. DIMENSIONES DEL CARRITO:
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DIMENSIONES DE LA BANDEJA: Dimensiones estimadas de cada bandeja:
0.8m 0.6m Por lo tanto en un proceso en batch, se congelarían 1000 kg tanto para pulpa de aguaje y ungurahui.
Las dimensiones de la cámara diseñada se presentan a continuación Dimensiones de la cámara: Figura 1. Esquema de la Cámara de Congelación Dimensiones de la cámara
3m
4m 4m Dimensiones de la puerta:
Ancho: 1.2 m
Altura: 2.4 m
Resumiendo: 14
Numero de carritos a utilizar
: 10
Numero de bandejas por carrito
: 20
Peso promedio de la pulpa
: 5kg
Peso de la pulpa por bandejas
: 5 kg
Peso de la pulpa por carrito
: 100 kg
Peso total de pulpa en la cámara
: 1000 kg.
T° de las paredes N, E y O : 12°C
T° de la pared S : 18°C
T° del techo: 24°C
T° piso : 10°C
T° cámara : -18
Espesor: 10cm = 0.1m
K = 2.184
ESTIMACIÓN DE CARGAS DEL SISTEMA Carga del producto:
φ p=
mΔh tb
¿ C L . ( T L −T C ) + L+C S .(T C −T F )
∆ h= 3.918 *( 20 – (-0.85)) + 320 + 1.979 * (-0.85 + 18) = 435.63 kj/kg 15
M (Masa de entrada por día): 1000 kg/día Tiempo de trabajo: 16 h ∆ h (Variación de entalpias): 435.63 KJ/Kg CL (Calor específico de la pulpa de aguaje
12.729 KW
descongelado): Cs (Calor específico de la pulpa de aguaje
3.918 Kj/KgK
congelado): TL (Temperatura de la pulpa de aguaje
1.979 Kj/KgK
Carga por respiración del producto:
descongelado): 20 ºC Tc (Temperatura de inicio de congelación): -0.85 ºC ( Cap. Max .un día antes ) .(cal Tf (Temperatura de la pulpa de aguaje congelado): -18 ºC . resp . a−18 ° C )+ ( Ingreso ultimo día ) .(Cal . r L (Calor latente): 320 Kj/Kg
Calor de respiración: Capacidad máxima: M (Masa de entrada por día):
A 20ºC : A -18ºC :
21.31 W/ton 5.32 W/ton
20000 kg 1683 kg/día
0.238 KW
Carga por paredes, techo y piso:
1 1 xp 1 = + + u hi k p he
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Espesor: 10cm = 0.1m K = 0.023 W/mºC Cálculos: U= 0.23 Q(N,E y O)= 0.23x(3x4)x(12-(-32)) = 0.121 Kw C/U Q(S) = 0.23x(3x4)x(18-(-32)) = 0.138 Kw Q(T) = 0.23x(4x4)(24-(-32)) = 0.2061 Kw UP= 2 W/m2ºC Q(P) = 2x(4x4)x(10-(-32)) = 1.344 Kw
Carga por intercambio de aire:
V i=
a∗H ∗√ 0, 072∗H∗ΔT 4
φi =Vi. ρ.T . Δh Ancho de puerta: Alto de puerta: Temp. Exterior: Temp. Interior: Densidad de aire exterior Densidad de aire interior Fracción de puerta abierta Entalpia de aire exterior Entalpia de aire interior
2.4 2.4 18 -18 1.186 1.024
m m ºC ºC Kg/m3 Kg/m3
55 Kj/Kg 2.98 Kj/Kg
Vi=.3 . 59
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φi =25 .79 KW
Carga por ventiladores:
φ ve= Número de ventiladores: Flujo volumétrico: Eficiencia del motor: Eficiencia del ventilador: Caida de presión:
QΔP n n nf
3 0.07 m/s3 0.65 0.9 0.5 Pa
φve=0.179 KW Carga por luces:
t φL=L∗P∗ 24 Número de luces: Potencia: Horas de funcionamiento:
Carga por personas:
5 100 W 3 h
φL=0.0625 KW t φP=NP∗P∗ 24
Número de personas Horas de funcionamiento: Carga por persona:
5 3 h 400 W
18
φP=0.25 KW φ
Total = 41.2996 KW
φ Total=47 . 49454 KW
φ Total=170980 .344 KJ /h
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