ACTIVIDADES PRELIMINARES Validación de termopares La validación involucra la determinación de las variables críticas y el rango de aceptación de esas variables. Existen tres formas para validar un termopar: exactitud, precisión y linealidad
Material * 1 termómetro de mercurio. * 5 termopares tipo T de cobre. * 1 parrilla eléctrica. * Soporte universal con nuez. * 1 vaso de precipitados de 500mL. * Agua destilada. * 1 malla Metodología 1. Sostener con el soporte universal los 5 termopares por uno de sus extremos, con la finalidad de que ya sostenidos, las puntas puedan ser introducidas en el vaso de precipitados. 2. Conectar el otro extremo de los termopares al recolector de datos WEST y programar el software para que registre la toma de lecturas de temperatura cada 1 min hasta completar 30 lecturas (ver manual de operación del Recolector de datos WEST). 3. Colocar en el vaso de precipitados 500 mL. de agua destilada y con ayuda de la parrilla eléctrica, calentar hasta su punto de ebullición (debido a que en Cuautitlán Izcalli la presión atmosférica es menor, la temperatura de ebullición es de 92.8°C) 4. Una vez que el agua se esté calentando, el termómetro y los 5 termopares deberás de estar dentro del vaso, para así tomar las lectur as. NOTA: Este punto es aplicable sólo para la prueba de linealidad. 5. Registrar las temperaturas observadas en cada uno de los termopares y termómetro de mercurio, por intervalos de 1 min. Hasta llegar al punto de ebullición del agua. 6. Se procede a hacer el respectivo tratamiento estadístico, que involucra la media, desviación estándar y coeficiente de variación, ya que los datos y resultados numéricos que se obtienen están sujetos a incertidumbre; la evaluación de la incertidumbre en los datos analíticos debe abordarse porque una medida cuya exactitud sea totalmente desconocida es inútil; un resultado que no sea exacto es aprovechable si se conoce su límite de error. Prueba de linealidad. Se realiza para verificar que el tipo de termopar e instrumentación a emplear, guarde una relación lineal, sobre el intervalo de temperaturas del sistema de trabajo donde se desea trabajar, con lo que se asegura que las variaciones de temperatura realmente sean producidas por el sistema de experimentación. Realizar un gráfico de temperatura Real (termómetro de mercurio) vs temperatura de los termopares; haciendo el comparativo entre la temperatura registrada por el termómetro y las registradas por el banco de adquisición de datos WEST. Aplicar regresión lineal a los valores obtenidos para obtener las ecuaciones de la línea recta y corregir las temperaturas de los termopares.
Velocidad de flujo del aire de congelamiento (alta y baja) en un túnel de lecho fluidizado y en un túnel por aire forzado Esta prueba tiene como finalidad determinar el valor en m/s de las 2 velocidades de flujo de aire manejados (alto y bajo) ya que estas se ocuparán para establecer los dos niveles de variación del proyecto. Material
Anemómetro digital de hilo caliente
Cronómetro
Metodología
Seleccionar la variación de flujo de aire deseada a medir. Flujo de aire alto se considera cuando las ventilas del túnel de congelación estén totalmente abiertas. Flujo de aire bajo se considera cuando estén abiertas sólo con una abertura media.
Establecer la temperatura deseada para medir la velocidad.
Seleccionar la zona de la placa en donde se medirá la velocidad del aire de congelamiento.
Establecer un tiempo, en el cual se hará la medición de la velocidad del aire de congelamiento, debe ser un tiempo suficiente como para que la velocidad varíe, hasta obtener n datos.
Obtener
la desviación estándar, la media y el coeficiente de variación a las 2
velocidades (Alta y Baja)
Conductividad térmica La conductividad térmica es la capacidad de los elementos de transferir el movimiento cinético de sus moléculas a sus propias moléculas adyacentes o a otros elementos cercanos. Cuando se calienta la materia varía el comportamiento de su estado molecular, incrementándose su movimiento. Es decir, las moléculas salen de su estado de inercia o reposo y adquieren un movimiento cinético provocado por el aumento de temperatura. (INCROPERA, 1999) Materiales: Conductímetro DECAGON (KD-2)
Fundamento: El KD2 es un medidor compacto y portátil utilizado para medir las propiedades térmicas. Consiste en una mano que toma la una lectura y un sensor de una sola aguja que puede ser insertado en el medio que desea medir . KD2 calcula sus valores de conductividad térmica (K) y la resistividad (R) mediante el control de la disipación de calor de una fuente de calor de tubería
Procedimiento: 1. Pulsar el botón izquierdo del conductímetro para encender. 2. Insertar por completo la aguja de la sonda en el alimento. 3. Presionar el botón izquierdo para iniciar la lectura. 4. La temperatura medida por la sonda se muestra en la esquina inferior derecha de la pantalla. Durante la medición, se observa un icono de un termómetro y la lectura de la temperatura. 5. Cuando haya terminado la lectura, la bandera parpadeará en la pantalla, y la lectura final se mostrará junto con la temperatura de la muestra. 6. Para mostrar la medición de la conductividad térmica, presionar el botón derecho, la -1 -1 conductividad térmica se muestra en Wm C . 7. El equipo se apagará automáticamente después de 5 minutos.
Metodología 1. Se corto la papa de modo que tuviera una geometría similar a la resistencia del conductimetro, para conseguir que la disipación de calor fuera la correcta, es decir, que no fuera en muy poca o mucha debido a la cantidad de masa. 2. Se calibro el conductímetro con agua destilada teniendo un especial cuidado con que no toque las paredes de la probeta y que se mantenga en el centro de esta 3. Esperar a que el conductímetro marque la temperatura y la conductividad.
Determinación del Cp Para poder determinar el calor específico, se pueden emplear dos metodologías, la primera se conoce como “calorimetría” y la segunda se realiza a través de las ecuaciones proporcionadas por Choi y Oikos (1986), las cuales relacionan la composición química del alimento y la temperatura a la cual se encuentra. Calorimetría Instrumento: Calorímetro de mezcla Fundamento: Determinaremos calor específico utilizando un calorímetro de Lavoisier y Laplace el cual estará hecho con un vaso de unicel contenido en otro vaso de unicel más grande lo que funcionará como aislante, en la parte superior irá la tapa que tendrá 2 orificios uno para el termómetro y otro para un agitador. Metodología: Ya elaborado el calorímetro, se verterá un volumen de agua a cierta temperatura, después se verterá un volumen de disolución a la temperatura a trabajar, es necesario homogeneizar la temperatura dentro del recipiente, se tomará la diferencia de temperaturas inicial y final (de equilibrio). La cantidad de energía que absorbe o cede un cuerpo que se pone en contacto con otro a diferente temperatura es proporcional a la masa de aquél, m, y a la variación de la temperatura que experimenta, ∆T
Siendo c una constante de proporcionalidad, denominada calor específico, que depende de la naturaleza de dicho cuerpo. Se define el calor específico de un cuerpo como la energía necesaria para incrementar un grado la temperatura de 1 kg del mismo. En general, el calor específico es función de la temperatura, pero en nuestro caso la variación que se produce es despreciable. Un método práctico para determinar calores específicos de sólidos y líquidos es el de las mezclas, que se realiza mediante un calorímetro y que consiste en lo siguiente: si se mezcla dos sistemas a diferente temperatura en un recipiente adiabático, la variación total de energía en forma de calor debe ser nula:
Generalmente, uno de los cuerpos es agua, de masa ma, calor específico ca, y temperatura inicial Ta. El otro, el cuerpo problema de masa m, calor específico c y temperatura inicial T i
Por otro lado, el calorímetro con todos sus elementos interiores (paredes, termómetro y agitador) absorbe una cantidad de calor que influye, necesariamente, en los balances de energía. Para considerar esta influencia, se introduce el término denominado equivalente en agua del calorímetro, K, y que se define como la masa de agua que habría que añadir al sistema para que tuviera exactamente la misma influencia sobre el desarrollo de los intercambios caloríficos que ocurren en el interior del calo rímetro, que la que tienen dichos elementos. Por tanto, K se sumará a la masa de agua correspondiente. Teniendo en cuenta todo esto, la expresión anterior puede ponerse, llamando T f a la temperatura final de equilibrio:
( )( )
( ) ( )
expresión que permite hallar calores específicos de sólidos y líquidos. En primer lugar, el cálculo de K se realiza mezclando dos masas de agua a ma y m, a diferente temperatura inicial, Ta y Ti, respectivamente. El sistema alcanza una temperatura final de equilibrio, Tf . Aplicando la expresión anterior
( )( )
( ) ( )
Ecuaciones de Chio y Oikos Metodología 1.- Mediante datos bibliográficos se obtendrá la composición química 2.- Usando un termómetro bimetálico de burbuja se medirá la temperatura de la papa 3.- Se realizara el cálculo para cada componente de la siguiente manera. Cp Calor especifico (kJ/kg*K) 2
Proteína
2.0082 + 0.0012089*T - 0.0000013129*T
Grasa
1.9842 + 0.0014733*T - 0.0000048008*T
Carbohidratos
1.5488 + 0.0019625*T - 0.0000059399*T
Fibra
1.8459 + 0.0018306*T - 0.0000046509*T
Ceniza
1.0926 + 0.0018896*T - 0.0000036817*T
Agua
4.1762 - 0.000090864*T + 0.0000054731*T
2 2 2 2 2
4.- Después de obtener el Cp de cada componente se multiplica cada Cp por la correspondiente fracción de cada componente 5.- Posteriormente, se suma cada producto y se obtiene el Cp del alimento.
Densidad La densidad se determinó con de la siguiente manera: Desplazamiento de líquido
Fundamento: Principio de Arquímedes: Este principio establece que todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un fluido, experimenta una fuerza vertical hacia arriba, llamada empuje, cuyo valor es igual al peso del fluido desalojado y cuya línea de acción pasa por el centro de gravedad del fluido desalojado (figura 1).
Figura 1Determinación de densidad por desplazamiento de líquido
Se realizaron tres repeticiones, en cada una se cortaron cubos de papa con dimensiones de 1cm x 1cm x 1cm, y se tomaron muestras de piña tanto escaldada como no escaldada, se obtuvieron sus masas y se sumergieron en 20 mL de aceite para evitar la absorción de líquido en la muestra. Se determinaron lecturas del volumen desplazado en la probeta, a diferentes temperaturas (10°C, 15°C, 20°C) utilizando la siguiente ecuación:
Determinación de coeficiente convectivo de transferencia de calor
Método de Colburn: Los coeficientes de transferencia de calor por convección generalmente son determinados a través de experimentos que envuelven el uso de complejos instrumentos y mediciones difíciles. Un método alternativo para obtener el coeficiente de transferencia de calor por convección es el uso de correlaciones Las correlaciones para el cálculo de transferencia de calor se basan en números adimensionales de Nusselt , Reynolds y Prandtl .
Ec.
Ec.
Ec.
Basado en datos experimentales pertinentes, Colburn propuso una correlación simple de transferencia de calor. Para el uso del método de Colburn en un túnel de congelación deben ser considerados las propiedades del aire a las temperaturas de congelación (-20 y -30 °C) y la longitud equivalente de la papa (escaldada y sin escaldar). Siguiendo la metodología para el cálculo de h que se muestra a continuación. Procedimiento 1.
Se determinaron de las propiedades del aire (densidad, capacidad calorífica, conductividad térmica, viscosidad) utilizado tablas para las propiedades del aire.
2.
Calculo dela longitud equivalente dela papa, considerando que el mango presenta una forma cilíndrica.
Ec.
Donde: L= longitud del contenedor o altura de malla (m)
3.
Calculo del Número de Reynolds (Re) mediante la ecuación.
Donde:
Ec.
3
ρ = Densidad del aire (Kg/m ). v = Velocidad del aire (m/s). D = Diámetro equivalente del alimento (m). µ = Viscosidad del aire (Pa s). 4.
Calculo del Número de Prandtl (Pr) utilizando la ecuación.
Ec.
Donde: µ=Viscosidad del aire (Pa s). Cp= Calor específico (J/kg°C). KT=Conductividad térmica del aire (W/m°C). 5.
Calculo del número de Nusselt (Nu) supuesto utilizando la ecuación para placas, para el cálculo de Nu fue necesario buscar una ecuación que nos permita su cálculo debido a que se desconoce h.
Ec.
Gean Koplis Pg 280 6.
Calcular el Log Re y Log Pr, una vez obtenidos se grafican, y la pendiente de esta grafica será el valor de B en el método de Colburn. B
7.- Calcular el Log Pr y Log Nu/Re , una vez obtenidos se grafican, y la pendiente de esta grafica corresponde al valor de C para el método de Colburn. B
8.- Calcular el Log Re y Log Nu/Pr , una vez obtenidos se grafican, y la pendiente de esta grafica corresponde al valor de A en el método de Colburn. 9.- Cálculo del número de Nusselt mediante ecuación .
Ec.
Donde: Nu = Numero de Nusselt (adimensional) Re = Numero de Reynolds (adimensional) Pr = Numero Prandtl (adimensional) 10.- Calculo del coeficiente convectivo de transferencia de calor utilizando el número adimensional de Nusselt.
Ec.
Ec. 2
h=Coeficiente convectivo (W/m K). D= Diámetro del alimento (m) KT=Conductividad térmica del aire (W/mK).
