UNIVERSIDAD CATÓLICA SANTO TORIBIO DE MOGROVEJO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
DISEÑO DE UNA CAJA CHINA
TRABAJO FINAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR
ANAYA PEREZ, CRISTIAN FLORES IPANAQUE, JESÚS FUSTAMANTE QUINTANA, LUIS PORTALES ZAMORA, CHRISTIAN
Chiclayo 27 de octubre del 2016
DISEÑO DE UNA CAJA CHINA Presentada a la Facultad de Ingeniería de la Universidad Católica Santo Toribio de Mogrovejo para optar el título de INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICISTA
APROBADA POR EL JURADO INTEGRADO POR
_______________________________________ Ing. Jony Villalobos Cabrera DOCENTE DEL CURSO
_________________________ SECRETARIO
_____________________ ASESOR
DISEÑO DE UNA CAJA CHINA Presentada a la Facultad de Ingeniería de la Universidad Católica Santo Toribio de Mogrovejo para optar el título de INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICISTA
APROBADA POR EL JURADO INTEGRADO POR
_______________________________________ Ing. Jony Villalobos Cabrera DOCENTE DEL CURSO
_________________________ SECRETARIO
_____________________ ASESOR
DEDICATORIA
A nuestros queridos padres por brindarnos todo su apoyo incondicional, y siempre guiarnos por el camino del bien. A nuestro docente del curso el ing. i ng. Jony Villalobos Cabrera y su indesmayable labor educadora para con nosotros y siempre orientarnos hacia la l a investigación. A nuestra querida casa de estudios la Universidad Católica Santo Toribio de Mogrovejo y su compromiso con los jóvenes contribuyendo al desarrollo desarrollo del país.
PRESENTACIÓN El presente trabajo de investigación, lleva por título: “Diseño de un Caja China” el cual se realizara por medio de un software de ayuda llamado “Solidworks” donde se diseñara, model ara
y se hará un estudio térmico. Se resaltara el uso de los conocimientos impartidos por el docente del curso a lo largo de todo el ciclo de estudios para resolver los principales fenómenos de transferencia de calor en la Caja China. Con este trabajo de investigación se busca acercarnos al uso de software y herramientas que nos faciliten el análisis térmico en distintos procesos ocurridos en nuestro mundo laboral. También se pretende medir las variables como Temperatura, Calor, Coeficiente de Conducción Térmica, Coeficiente de Convección y su relación con la ley de Fourier, Ley de Enfriamiento de Newton y la Ley de Stefan-Boltzmann en los fenómenos de Conducción, Convección y Radiación.
RESUMEN La Caja China es una caja rectangular de acero galvanizado cubierto con madera y una tapa de acero galvanizado, encima del cual se encenderá carbones o leños para cocinar cualquier tipo de carne (en especial cerdo). Su historia se basa en el tipo de tortura que impartían los chinos a sus prisioneros, el cual llego a los oídos de los cubanos quienes adaptaron una forma similar de cocinar, lo que ahora conocemos como Caja China. Si bien es cierto la cocina peruana es muy reconocida a nivel mundial, nuestros exquisitos platos y exuberantes bebidas hacen de nuestro país un lugar atractivo para visitar. Es impresionante el nivel de aceptación que hemos llegado a tener en el mundo gracias a nuestros platos bandera y a ese empuje nuestra gente al experimentar nuevos sabores en nuestros platos. Son muchos los aspectos que intervienen en la preparación de una determinada comida como el aderezo, el tiempo de cocción, si sé cocinará con gas o leña, donde serán cocidos en olla sartén, horno, estufa, etc. El último factor parece irrelevante pero estudios han demostrado que es un factor muy importante al momento de preparar un platillo, ya que es diferente degustar un pavo preparado en un horno a un pavo preparado en una olla común. Gracias a estos estudios se han desarrollado números formas de cocinar ya sea en un horno, estufas, al carbón, cilindro, caja china, etc. Puede la ciencia explicar todos estos fenómenos de transferencia de calor ocurrido en las cajas chinas como forma de cocción de los alimentos. ¿Cómo es que logra ser tan eficaz al momento de cocer los alimentos?, ¿Cómo interviene la transferencia de calor en el proceso de cocción de los alimentos?, ¿bajo qué procesos se da este fenómeno de transferencia de calor?, ¿existe algún modelo matemático que nos ayude a predecir el comportamiento de la transferencia de calor en las cajas chinas?, estas son las interrogantes que surgen al momento de realizar un análisis exhaustivo sobre el comportamiento del calor en las cajas chinas. Gracias al avance de la tecnología y a los sistemas computacionales se puede hacer uso de distintos softwares de ingeniería en específico de los relacionados a al fenómeno de transferencia de calor. Existen un sin número de programas entre los cuales podemos mencionar a Matlab, Conmsol Multiphysics, Solidworks, etc. Nosotros utilizaremos el programa Solidworks como herramienta de dibujo y modelamiento ingenieril. Se dará las pautas para el análisis correcto e interpretación de los resultados, así como el tiempo necesario para llevar el proceso de cocción en los alimentos puestos en la Caja China. Se propondrá un sistema de aletas en la tapa de la Caja China con la intención de mejorar el proceso de transferencia de calor. Se diseñara una parrilla sobre la base de la tapa de la Caja China para no desperdiciar el calor transferido por la materia prima por convección. Se brindará las dimensiones necesarias para la elaboración de la caja china, así como imágenes, cuadros que ayuden al lector a una correcta elaboración y utilización de la caja china.
Palabra Clave: Conducción, Convección, Radiación, Aletas, Transferencia de Calor .
ABSTRACT The roastihing box its a rectangular box build of Steel, covered with Wood and have a cover made of galvanized Steel above which will burn coals and firewood to cook any kind of meat (especially pork). The story of roasthing box is based on the type of torture that imparted the Chinese to their prisoners, which reached the ears of Cubans, they adapted a similar way to cook. Thats we now know as roastihing box or chinese box. Peruvian food use a mixture thath comes around the world, the roastihing box (later we will expand) is an example, there are many aspects involved in the preparation of a particular food as seasoning, cooking time, if you cook with gas or firewood, where we will cook: in a skillet, oven, stove, etc. A lot ways to cook one dish. The science can explain these phenomena heat transfer occurred in roastithinig boxes as a method of cooking food, questions like: How is so effective at cooking food? How intervenes heat transfer in the process of cooking food? Is there a mathematical model to help us predict the behavior of heat transfer in roastithing boxes? Advance of technology make posible use programs like Matlab, Conmsol, Multiphisics, SolidWorks, etc to understand and analize heat transfer.We use SolidWorks as a tool for drawing, modeling and termal analysis. A system of fins on the top of the roastithing box intended to improve the heat transfer process is proposed, we desing a grill on the basis of the top of the China Fund is to design not to waste the heat transferred by convection. We will give the dimensions, pictures to build a nice roastithing box Keyword: conduction, convection, radiation, fins, Heat Transfer.
ÍNDICE
CARÁTULA CARÁTULA CON JURADO DEDICATORIA RESUMEN ABSTRACT ÍNDICE I. II. III.
INTRODUCCIÓN OBJETIVOS 2.1 OBJETICOS GENERALES 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS MARCO DE REFERENCÍA DEL PROBLEMA 2.1 ANTECEDENTES DEL PROBLEMA 2.2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS 2.2.1 Historia de la Caja China 2.2.2 Definición de Caja China 2.2.3 Partes que componen una Caja China 2.2.4 Funcionamiento de la Caja China 2.3 ELABORACIÓN DE LA CAJA CHINA 2.3.1 Diseño en Solidworks de la Caja China 2.3.2 Materiales de la Caja China Armado de la Caja China 2.4 PROCESO DE COCCIÓN DE LOS ALIMENTOS 2.4.1 Temperaturas de cocción de los alimentos 2.4.2 Formas de cocción y sus elementos 2.4.3 Carne de cerdo 2.5 FENOMENOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA CAJA CHINA 2.5.2 Convección en la Caja China 2.5.3 Radiación en la Caja China 2.6 CALCULOS
TÉRMICOS 2.6.1 Calculo del calor brindado por la materia prima (carbón) 2.6.2 Calculo del número de aletas en la tapa de Caja China 2.6.3 Cálculo del número de aletas y espaciamiento entre ellas 2.6.4 Cálculo del coeficiente de convección en el interior de la caja china 2.6.5 2.6.6
IV. V. VI. VII. VIII.
CONCLUSIONES RECOMENDACIONES ANEXOS LINKOGRAFIA BIBLIOGRAFIA
I. INTRODUCCIÓN: Es impresionante el nivel de aceptación que hemos llegado a tener en el mundo gracias a nuestros platos bandera y a ese empuje nuestra gente al experimentar nuevos sabores en nuestros platos. Son muchos los aspectos que intervienen en la preparación de una determinada comida como: el aderezo, el tiempo de cocción, si sé cocinará con gas o leña, donde serán cocidos en olla, sartén, horno, estufa, etc. El último factor parece irrelevante pero estudios han demostrado que es un factor muy importante al momento de preparar un platillo, ya que es diferente degustar un pavo preparado en un horno a un pavo preparado en una olla común. Gracias a estos estudios se han desarrollado números formas de cocinar ya sea en un horno, estufas, al carbón, cilindro, caja china, etc. Puede la ciencia explicar todos estos fenómenos de transferencia de calor ocurrido en las cajas chinas como forma de cocción de los alimentos. ¿Cómo es que logra ser tan eficaz al momento de cocer los alimentos?, ¿Cómo interviene la transferencia de calor en el proceso de cocción de los alimentos?, ¿bajo qué procesos se da este fenómeno de transferencia de calor?, ¿existe algún modelo matemático que nos ayude a predecir el comportamiento de la transferencia de calor en las cajas chinas?, estas son las interrogantes que surgen al momento de realizar un análisis exhaustivo sobre el comportamiento del calor en las cajas chinas. Gracias al avance de la tecnología y a los sistemas computacionales se puede hacer uso de distintos softwares de ingeniería en específico de los relacionados a al fenómeno de transferencia de calor. Existen un sin número de programas entre los cuales podemos mencionar a Matlab, Comsol Multiphysics, Solidworks, etc. Nosotros utilizaremos el programa Solidworks como herramienta de dibujo, modelamiento y análisis térmico. Gracias a la interfaz que ofrece Solidworks podremos distinguir los resultados obtenidos de los esperados. Se dará las pautas para el análisis correcto e interpretación de los resultados, así como el tiempo necesario para llevar el proceso de cocción en los alimentos puestos en la Caja China. Se propondrá un sistema de aletas en la tapa de la Caja China con la intención de mejorar el proceso de transferencia de calor. Se diseñara una parrilla sobre la base de la tapa de la Caja China para no desperdiciar el calor transferido por la materia prima por convección. Se brindará las dimensiones necesarias para la elaboración de la caja china, así como imágenes, cuadros que ayuden al lector a una correcta elaboración y utilización de la caja china.
II. OBJETIVOS: 2.1 OBJETIVOS GENERAL: Diseñar una Caja China con ayuda del software Solidworks y explicar la transferencia de calor que ocurre en ella para llegar a una cocción en la carne de cerdo. 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Determinar el Calor aportado por la leña para la cocción uniforme de la carne de cerdo. Determinar la temperatura adecuada que se debe mantener en el interior de la caja china para la cocción uniforme de la carne de cerdo. Determinar el material aislante más apropiado para disminuir las pérdidas de calor por las paredes de la Caja China. Determinar el Número de aletas a colocar en la Tapa de la Caja China para aprovechar al máximo el calor cedido por la fuente externa. Determinar el Coeficiente de Convección en el interior de Caja China. Determinar el Coeficiente de Convección entre las paredes internas y externas de Caja China. Demostrar que se puede despreciar la perdida de calor entre las paredes. Demostrar que se puede utilizar la temperatura exterior en la base de la Caja China en la base interior de la misma.
III. MARCO DE REFERENCÍA DEL PROBLEMA: 2.1 Antecedentes del problema: La Organización Mundial de la Salud (OMS) estima que aproximadamente entre la mitad de la población mundial (tres millones de personas) queman leña, estiércol, carbón y otros combustibles tradicionales dentro de sus hogares, para preparar alimentos, calentar agua y para calefacción. En la mayoría de los casos, la mala ventilación y la combustión ineficiente de esos combustibles genera un humo gris y espeso que satura al aire, hace insoportable respirar y llena los ojos de lágrimas. La combustión de materiales como leña, carbón y otros elementos naturales que se encuentran en la naturaleza son una mezcla peligrosa de cientos de contaminantes; principalmente monóxido de carbono y partículas pequeñas entre ellos también se encuentra el óxido de nitrógeno, benceno, butadieno, formaldehído, hidrocarburos poliaromáticos y muchos otros químicos nocivos para la salud. Cuando el carbón entra en contacto con el aire también pueden estar presentes contaminantes adicionales como el azufre, arsénico y flúor. Este ambiente causa más de 1,5 millones de defunciones al año, principalmente de niños pequeños y sus madres, quienes pasan más tiempo en las cocinas. En el 2002, las áreas con más muertes por esta causa fueron África Subsaharina y Asia Sudoriental, con 396,000 y 483,000 defunciones, respectivamente. Estas son algunas de las causas por las que cocinar con leña o carbón en ambientes cerrados puede ser muy perjudicial para la salud. Existen muchos métodos para cocinar alimentos y entre estos, la parrilla. Es uno de los más aconsejados por que no agrega grasas al alimento, no se pierden muchas vitaminas y minerales en la cocción y además, permite que las grasas que cae al usar una carne por ejemplo, caiga y no quede en los alrededores del alimento. Sin embargo, cocinar a la parrilla puede ser malo para la salud. Si la grasa o la carne del alimento se queman al punto de carbonizarse, estaremos ingiriendo sustancias cancerígenas para el cuerpo humano.
Además, si durante la cocción el fuego humea y el humo alcanza el alimento, éste puede impregnarse de dióxido de carbono y otras sustancias que pueden resultar tóxicas en grandes cantidades. Es muy común ver a las personas introducir en sus dietas los alimentos conservados mediante la acción del humo, es lo que se conoce como ahumados, y los encontramos en carnes, pescados, queso, snack entre muchos otros. El ahumado es una técnica de conservación que se lleva realizando miles de años, ya que en la antigüedad no existía otra forma de preservar los alimentos. Está técnica junto al asado y al secado eran las más frecuentes para preservar los alimentos. En la técnica del ahumado se utiliza el humo para preservar las cualidades de los alimentos, que se someten durante largas jornadas a la acción del humo. Normalmente esta técnica se ha utilizado con carnes y pescados que son alimentos que perecen rápidamente y de esta forma conseguimos que aguanten mucho más tiempo. Pero actualmente son muchos los snack que se someten a la acción del humo. El humo es básicamente CO2 acompañado de diferentes sustancias que en muchos casos son nocivas para la salud. A estos se les conoce como toxinas que se desprenden de la combustión. Al someter a los alimentos a la acción del humo estas sustancias nocivas se acumulan en los tejidos de los alimentos y los impregnan totalmente formando parte de ellos. Estas toxinas permanecen en los alimentos para siempre, por lo que al ingerirlos nos las comemos. 2.2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS: 2.2.1 Historia de la caja china: Aunque parezca mentira, las cajas chinas no las inventaron los chinos, sino los cubanos. Hay una historia acerca de cómo los chinos torturaban a sus prisioneros de guerra, al parecer esto llegó a oídos de los cubanos y fue así como desarrollaron una forma similar de cocinar, lo que a la postre significó la invención de la Caja China. Sidney Mintz, el gran antropólogo culinario de la Universidad Johns Hopkins y autor de “Tasting Food, Tasting Freedom” cuenta que cuando oyó hablar de la Caja China, inmediatamente se puso a indagar acerca de los orígenes chinos de la caja, al principio, comenta que se vio frustrado al no encontrar respuestas, pero que luego de investigar en el internet encontró que 150,000 trabajadores chinos fueron llevados a Cuba en la década del 50. Dice que fueron solo hombres, sin familia ni esposas por lo que no se dio un intercambio cultural en la manera de cocinar. Prueba de esto es que los chinos nacidos en Cuba que posteriormente dejaron la isla y abrieron restaurantes en América, o cocinaban comida china, o comida cubana, o ambas, pero no se dio una mezcla de ambas cocinas no hay arroz frito con plátanos y sillao, ni hay almejas Shanghái en sopa de frijoles negros, por ejemplo lo que lleva a concluir que no hay una base sólida para afirmar que la Caja China, de origen cubano, fue inventada por los chinos. Si a esto le sumamos la costumbre caribeña por llamar a todo lo que es desconocido, raro, exótico, extraño, como “Chino” o “China”, así como los peruanos decimos “está en chino” cuando no
entendemos algo, entonces se explica el porqué del nombre. Esto lo confirma la chef cubana Maribel Presilla, del restaurante “Zafra” en Hoboken, New Jersey. Sin embargo, no solo en el Caribe se prepara el cerdo en una caja. En los Estados Unidos, exactamente en la zona de Louisiana, existe la misma costumbre de asar cerdos en cajas. Lo llaman el “Cajun Microwave” y los hay en una gran variedad de diseños y
tamaños. Incluso los hay muy sofisticados, con elaborados sistemas mecánicos que permiten mover al cerdo dentro y fuera de la caja. 2.2.2 Definición de caja china: La caja china es un dispositivo portátil en forma de horno capaz de cocinar de diferentes formas, se puede cocinar todo tipo de alimentos en menos tiempo por el sellado mismo del dispositivo. Existen diferentes tipos de cajas chinas, diferentes materiales, dimensiones. Uno de los puntos más fuertes que se tiene es la posibilidad de poder tener diferentes métodos de cocción ya sea por horneado o por parrilla, agregando la posibilidad de usar el material inflamable que uno desee, por la durabilidad y portabilidad que representa es uno de los dispositivos más requeridos por los consumidores. Su uso es requerido por el sabor y textura especial que se presenta, es sabido que se puede emplear diferentes tipos de agregados especiales como tapas a presión, parrillas de diferentes tipos, filtros que permiten un diferente tipo de cocción. Generalmente se usa en la preparación de carnes, en Perú su uso es requerido especialmente para la cocción de la carne de cerdo, la excelente calidad de la carne y la leña que se usa da una textura y sabor de excelencia, se puede cocinar todo tipo de alimentos al gusto, su díselo permite que aprovecha los fluidos que salen de dichos alimentos. La caja china además da un sabor especial por la madera que se usa para su recubrimiento pese al recubrimiento de acero galvanizado se cree que se le da un sabor especial, por esto se le da importancia a los materiales de recubrimiento que son de madera. 2.2.3 Partes que componen caja china Existen 3 partes esenciales: -Paredes externas: Seis paredes a su alrededor, que se unen formando un Paralelepípedo en donde hay: 1 tapa, 1 base, 2 cabeceras, 2 paredes laterales. -Paredes internas: Paredes de láminas de acero galvanizado que recubren las paredes externas. -Soportes: Cuatro soportes.
2.2.4 Funcionamiento de una caja china La función principal de la caja china es la cocción de los alimentos, su funcionamiento es el siguiente:
Colocar el material inflamable a usar (Carbón, leña, etc.) para nuestro caso usaremos leña. Encender el material inflamable (Leña) Colocar los alimentos a cocinar.
Esto dará pie al uso de la caja china como instrumento de propagación de calor para la cocción de los alimentos. Para el uso correcto de la caja china, se debe colocar el carbón sobre la tapa de la caja, una vez colocado se procede al encendido de la leña, hasta el punto de tenerlas como brazas. Se esparce por la superficie de la misma. Se coloca la carne de cerdo a cocinar esta puede ir acompañada de papas, camotes o con lo que se desee degustar. Una vez colocada la carne de cerdo en el interior de la caja china se procede a su tapado. Se contara un intervalo de 1 hora una vez colocada la carne, con el fin de destapar la caja y ver cómo va quedando nuestro plato a degustar. Se recomienda un tiempo de 3 horas para una perfecta cocción de la carne. 2.3 ELABORACIÓN DE CAJA CHINA 2.3.1 Diseño en Solidworks de la caja china: Para el diseño de la caja china hemos utilizado el programa Solidworks. Con el cual hemos dibujado nuestro modelo de caja china, tomando medidas propias para su elaboración.
Figura 1: Plano-Caja China Fuente: Equipo de Trabajo
Figura 2: Plano-Tapa Caja China Fuente: Equipo de Trabajo
Figura 3: Diseño de la Caja China (Solidworks) Fuente: Equipo de Trabajo
Figura 4: Diseño Tapa-Caja China (Solidworks) Fuente: Equipo de Trabajo. 2.3.2 Materiales de la Caja China Armado de la Caja China
Triplay osb, para las paredes externas de la caja china. Acero galvanizado, para las paredes internas. Madera, para los soportes de la caja china. Aletas de 0.44m*0.001mm*0.05mm
Además tenemos:
Pegamento de madera para las uniones. Tornillos para uniones según plano. Remaches de ajuste.
2.4 PROCESO DE COCCIÓN DE LOS ALIMENTOS 2.4.1 Temperaturas de cocción de los alimentos
Temperaturas seguras de cocción Ficha descriptiva:
Todos los productos alimenticios que contengan alimentos animales crudos como huevos, pescado, carne de res, carne de ave o cualquier combinación de estos elementos se deben cocinar lo suficiente hasta que todos los gérmenes potencialmente peligrosos sean destruidos. La temperatura interna mínima a la que los agentes patógenos son destruidos depende del tipo de alimentos que se cocinan. Para asegurar que los productos alimenticios que se cocinan son seguros para el consumo humano, use la siguiente tabla para determinar cuándo están listos los alimentos. Recuerde usar un termómetro para verificar la temperatura interna de la comida antes de servirla
Figura 5: Temperaturas seguras de cocción Ficha descriptiva Fuente: http://www.profoodsafety.org/images/spanish/Safe%20Cooking%20Temperatures%20fact%20s heet-spa.pdf
Nosotros nos enfocaremos en la carne de cerdo. De acuerdo al material a usar (carne de cerdo molida o carne cortada) se tendrán diferentes temperaturas. 2.4.2 Formas de cocción y sus elementos Los alimentos solemos cocinarlos de diversas maneras. Veamos algunas formas y sus propiedades. - Cocidos. Hervir los alimentos es la forma más antigua, sencilla y rápida de prepararlos. Y, quizás, sobre todo si cocemos el menor tiempo posible, la menos agresiva (la temperatura no sobrepasa los 100º C., que es la de ebullición del agua). Es sistema válido para casi todos los productos: carnes, verduras, hortalizas, legumbres, pescados. Su principal desventaja es que supone pérdidas de nutrientes, vitaminas hidrosolubles y minerales por el efecto del calor (sin olvidar lo ya dicho sobre las moléculas de Maillard). Para disminuir estos efectos, basta con reducir la temperatura (si es posible) y el tiempo de cocción. Hay algunos tipos muy populares, como los callos -o menudo-, los cocidos como el madrileño y los pucheros, que, lógicamente, son obligado descartar de una dieta saludable porque necesitan (o suelen darle) un tiempo de cocción excesivo (6 horas los callos, 3 h. el puchero andaluz y el cocido). Los potajes, berzas, potes y demás guisos cuyos principales componentes son las legumbres (garbanzos, alubias, lentejas, fabes, etc.), aunque se le adjudica una cocción de unas dos horas, si las legumbres son de buena calidad y se observa el tiempo de remojo previo (unas 12 horas), se cuecen perfectamente (según mi propia experiencia en los fogones) en sólo una hora, un tiempo bastante más prudencial y aceptable. - En ollas a presión. En una olla a presión, las zanahorias, por ejemplo, están tiernas y cocidas en apenas dos minutos, mientras que en una olla convencional necesita 15 minutos. Sin embargo, no es recomendable porque en su interior se alcanzan temperaturas de hasta 140º C. (el agua necesita mayor temperatura para hervir cuando está sometida a presión), lo cual, no sólo invalida la ventaja del menor tiempo sino que, como sobrepasa bastante la frontera de los 110º C., los alimentos sufrirán un mayor cambio en sus estructuras y composición (Supongo válidos la aplicación de los estudios que ya conocemos sobre el calor y los alimentos, pero estimo que
deberían hacerse más específicamente sobre los resultados de la presión para valorarlos de manera más precisa y correcta). A falta de unos estudios más precisos -y por lo que sabemos, optamos por no recomendarla como una alternativa válida a la cocción convencional.
-Asados, en parrilla o a la plancha. Es la forma más rápida de hacer un pollo o unas chuletas, pero, al mismo tiempo (junto con los fritos), la más agresiva a los alimentos y nociva para la salud por las altas temperaturas que se alcanzan (hasta 220º C. en una plancha o asadora eléctrica) y el contacto directo con las fuentes de calor y las grasas recalentadas o quemadas en el proceso. Sin duda, es una de las formas de hacer más sabrosos los alimentos (precisamente -entre otras- por esa especie de "caramelizado" producido por la reacción de los azúcares y proteínas en las zonas en mayor contacto con el calor), pero, también, la forma de ingerir más cantidad de sustancias cancerígenas y mutagénicas. Excepto en un "vuelta y vuelta", no es recomendable. - Fritos. Al igual que asados o a la plancha -y aunque nos cueste aceptarlo por lo buenos que están las patatas o los salmonetes-, es el procedimiento menos recomendable para la preparación de los alimentos. A las altas temperaturas a la que se produce la fritura (180º C. o más) es obvio que nos encontraremos con todas las consecuencias negativas de los procesos que aquí comentamos. Añadámosle los que pueden derivarse del uso de un aceite de fácil degradación (el que menos la sufre es el de Oliva Virgen Extra) y utilizado muchas veces. Se impone, por tanto, eludir cuanto se pueda la ingesta de fritos, pero, de hacerlos, siempre con aceite de oliva virgen extra (los aceites refinados, incluso de oliva virgen, soportan menos las altas temperaturas y se degradan con más rapidez), cambiándolo cada pocos usos (no más de 5 o 6) y procurando mantenerlo en una temperatura óptima para la fritura pero sin quemarlo (un aceite pasado de temperatura -más de 210º C-, o, lo que es igual, quemado, es de los más tóxico y se debe desechar sin contemplaciones). - Microondas. Los materiales que contienen agua, como los alimentos, absorben rápidamente la energía de las microondas, la cual es convertida en calor. Las microondas agitan las moléculas de agua y las hacen rotar rápidamente de un lado para otro a una gran velocidad (unos 2.450 millones de veces por segundo). En ese movimiento de giro rápido, las moléculas de agua chocan unas contra otras y se van comunicando la energía, con lo que se produce un aumento de temperatura. El calor que se genera en los alimentos es proporcional a la potencia y al tiempo que hayamos programado la función, que puede ser muy superior a la temperatura de ebullición del agua (100º C.), sobre todo en las grasas y azúcares. Existen estudios sobre este método de cocción (Debry, 1992) o sobre los resultados de su uso (como los de Henry Joyeux sobre ratas) que hacen desechar su uso. Por ello, con independencia de que admiremos la utilidad de este invento en cuanto a comodidad, limpieza y ahorro de energía, no podemos decir otra cosa sino que, en funciones que precisen de mucho tiempo y elevadas temperaturas, le son aplicable todas las consecuencias negativas de los procesos que aquí comentamos.
Otros procesos: - Al vapor: es una de las maneras más saludables. Los alimentos pierden menos nutrientes que hervidos (a excepción de la vitamina C, que se pierde toda siempre), si bien, es necesario estar muy pendientes de que el tiempo y la temperatura de cocción sean los mínimos. - Salteados: Saltear consiste en cocinar los alimentos en muy poco aceite y breve tiempo (pocos minutos) para que estos liberen los aromas y sabores. Puede ser menos nocivos que otros sistemas si a la brevedad en el tiempo le añadimos un calor no demasiado elevado. Con muchos alimentos, como carnes y verduras cortados a tiras o trozos pequeños, podría ser una alternativa válida a la cocción o fritura clásicas si, tras el salteado, añadimos algo de agua o caldo y los mantenemos unos minutos al fuego.
2.5 FENOMENOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA CAJA CHINA
Es la forma de energía que se puede trasferir un sistema a otro, como resultado de la diferencia de temperaturas. Un análisis termodinámico se interesa en cantidad de transferencia de calor conforme un sistema pasa por un proceso, de un estado equilibrio a otro. La trasferencia de energía como calor siempre se produce del medio que tiene la temperatura más elevada hacia el de temperatura más baja y la trasferencia de calor se detiene cuando los dos medios alcanzan un equilibrio de la misma temperatura.
2.5.2 Conducción en la Caja China. CONDUCCION: La conducción es la trasferencia de energía de las partículas más energéticas de una sustancia hacia la adyacentes menos energética , como resultado de interacciones entre esas partículas. Las conducciones pueden tener lugar en los sólidos y líquidos la conducción se debe a las colisiones y a la difusión de las moléculas durante su movimiento aleatorio. En los sólidos se debe en la combinación de las vibraciones de las moléculas en una retícula. Y al trasporte de energía por parte de los entrones libres. La rapidez o razón de la conducción de calor a través de un medio depende de la configuración geométrica de este, espesor y material. De que este hecho, así como la diferencias de temperatura a través él. por ejemplo se sabe que al envolver un tanque de agua caliente con fibra de vidrio ( un material aislante) se reduce la razón de la perdida de calor de ese tanque . Entre más grueso sea el aislamiento, menor será la perdida de calor.
La razón de la conducción temperatura a través de una capa plana es proporcional a la diferencia de temperatura a través de esta y al área de trasferencia de calor, pero es inversamente proporcional al espesor de cada capa.
Figura 6: Transferencia de calor por conducción Fuente: http://www.docencia.unt.edu.ar/bioquimicafisica/09calor/calor.html ∝=
O bien,
()( )
= ∗
12
=
∆
∆ ∆
()
Donde la consta de proporcionalidad K es la conductividad térmica del material, que es una medida de la capacidad de un material para conducir cada (la figura 2) en el caso de límites de ∆ → 0, la ecuación que acaba de darse se reduce en su forma diferencial.
Figura 7: conducción del calor a través de un sólido. Fuente: Cengel - Yunus, Trasferencia de calor masa, Cuarta ed. (México, 2011, Pág. 18.) =
( )
La cual se llama ley de Fourier de la conducción de calor, en honor de Fourier
Conductividad térmica: La conductividad térmica de un material se puede definir como la razón de transferencia de calor a través de un espesor unitario del material por unidad de área por unidad de diferencia de la temperatura , es una medida de la capacidad del material para conducir calor, es decir un valor elevado para la conductividad térmica indica que el material es un buen conductor o que es un buen aislante .
Defunción térmica: =
=
( )
Donde K representa lo bien que un material conduce el calor y la capacidad calorífica .Representa cuanta energía almacenada un material por unidad de volumen .por lo tanto la difusión térmica de un material se puede concebir como la razón entre el calor conducido a través del material y el calor almacenado por unidad de volumen. Entre mayor sea la difusividad
térmica, más rápida es la propagación del calor por el medio. En la tabla 1-4 se dan las difucividades térmicas de algunos materiales comunes a 20℃
Figura 8: tabla1-4 conductividades térmicas a temperatura ambiente. Fuente: Cengel - Yunus, Trasferencia de calor masa, Cuarta ed. (México, 2011 Pág. 20.)
2.5.3 Convección en la Caja China. CONVECCION: Es el modo de la trasferencia de energía entre una superficie solidad y liquido o gas adyacente que está en movimiento y comprende los efectos combinados de la conducción y el movimiento de fluidos. Entre más rápido es el movimiento de un fluido, mayor es la trasferencia de calor por convección. En ausencia de cualquier movimiento masivo de fluido, la trasferencia de calor entre la superficie sólida y el fluido adyacente es por conducción pura. La presencia de movimiento masivo del fluido acrecienta la transferencia de calor entre la superficie salida y el fluido, pero también complica la determinación de las razones de esa trasferencia.
Figura 9: Transferencia de calor por convección Fuente: https://sites.google.com/site/fisicacbtis162/services/1-2-2-intercambio-de-calor
La convención recibe nombre de convección forzada si el fluido es forzado a fluir sobre la superficie mediante medios extremos como un ventilador una bomba o el viento. Como contraste, se dice que es convección natural o libre si el movimiento del fluido es causado por las fuerzas de empuje que son inducidas por las diferencias de densidad debidas a la variación de la temperatura en ese fluido (la figura 6). En ausencia de un ventilador, la trasferencia de calor del bloque caliente de la figura 5 será por convención natural, ya que en este caso cualquier movimiento en el aire se deberá a la elevación del aire caliente (y por lo tanto más ligero) cerca no a la superficie y la caída del mas frio (y por lo tanto, más pesado) para llenar su lugar. La trasferencia de calor en el otro bloque y el aire circundante será por conducción si la diferencia de temperaturas entre el aire y el bloque no es suficientemente grande como para vencer la resistencia de ese aire al movimiento y por consiguiente, para iniciar corrientes naturales de convección.
Figura 10: Conveccion forzada y natural Fuente: Cengel - Yunus, Trasferencia de calor masa, Cuarta ed. (México, 2011, Pág. 26.)
Figura 11: convección natural. Fuente: Cengel - Yunus, Trasferencia de calor masa, Cuarta ed. (México, 2010, Pág.25.)
La trasferencia de calor por convección es proporcional a la diferencia de temperatura y se expresa en forma conveniente por la ley de newton de enfriamiento. = ℎ ( ∞)
( )
Tenemos que h es el coeficiente de trasferencia de calor por convención en / ℃ ℎ ∗ ∗
Donde As es el área superficial a través de la cual tiene lugar la trasferencia de calor por convección, Ts es la temperatura de la superficie y ∞ Es la temperatura del fluido suficientemente alejado de esta superficie. Nota que la superficie la temperatura del fluido es igual a la de sólido. H no es una propiedad del fluido. Es un parámetro que se determina en forma experimental y en cuyo valor depende de todas las variables que influyen sobre la convección como en la figura geométrica de la superficie, la naturaleza del movimiento del fluido .las propiedades de este y la velocidad masiva del mismo. En la tabla 1-5 de la figura 7 se dan valores típicos de h.
Figura 12: Valores típicos de los coeficientes por convección. Fuente: Cengel - Yunus, Trasferencia de calor masa, Cuarta ed. (México, 2011, Pág. 26.)
2.6 CÁLCULOS TÉRMICOS 2.6.1
Calor transferido por la fuente de energía (Carbón Natural):
ó = 12
ó = 0,84
°
= á ó = 350° = 623,15°K = = 25° = 298,15° = Tiempo de cocción de la carne = (2h - 3h)
= ∗ ∗ ∆ = (12) ∗ (0,84
°
= 3276 =
) ∗ (623,15° 298,15°)
3276 3ℎ
∗
1ℎ 60
∗
1 60
= 303,33
2.6.2
Cálculo de la Temperatura en la base de la tapa: =∗∗
= (46,5
°
∆ ∆
) ∗ (0,3696 ) ∗
303,33 = (46,5
°
(350 ) 0,02
) ∗ (0,3696 ) ∗
(350 ) 0,02
= 349,65°
2.6.3
Calculo del número de Aletas y espaciamiento entre ellas: Aleta Rectangular Recta. = 76,6°
. = ℎ ∗ ∗ ( )
Existen condiciones estacionarias de operación. El aire es un gas ideal. La presión en el interior de la caja es de 1atm. Para propiedades del aire a la T de película: =
=
( + ) 2
(349,65 + 76,6) 2
= 213,125° -
-
Luego vamos a la tabla (A-15) del libro YUNUS (Pág. 860), donde:
T
k
v
Pr
200
0,03779
3,455*(10^-5)
0,6974
213,125
x
y
z
250
0,04104
4,091*(10^-5)
0,6946
Interpolando tenemos:
200 213,125 200 250
=
0,03779 0,03779 0,04104
= = 0,0386
°
= = 3,62195 ∗ 10
5
2
= = 0,6967 =
-
1 468,275°
El número de Rayleigh es: ɡ ∗ ∗ ( ) ∗ ∗ = 9,81/ ∗ =
1 ∗ ( 349,65° 76,6°) ∗ 0,44 ∗ 0,6967 468,275° (3,62195 ∗ 10− /) = 249200084
-
Luego calculamos el espaciamiento óptimo entre las aletas: ó = 2,714 ∗
ó = 2,714 ∗
,
0,44 (249200084) ,
ó = 0,017 -
Calculo del número de aletas: =
=
+ 0,84
0,017 + 0,001 = 47
2.6.4
Cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección en el interior de la Caja China: ℎ = ó ∗
ó
° 0,017
0,03779 ℎ = 1,307 ∗
ℎ = 2,905
°
2.6.5 Cálculo del calor transferido por las aletas hacia el interior de la caja china: = ℎ ∗ ∗ ( ) = ℎ ∗ 2 ∗ ∗ ∗ ∗ ( ) = 2,905 ∗ 2 ∗ 47 ∗ 0,05 ∗ 0,44 ∗ ( 349,65 76,6) = 1640,36
2.6.6
Cálculo de las pérdidas de calor a través de las paredes de la Caja China: Se tiene que la transferencia de calor a través de las aletas al interior de la caja es: = 1640,36
Por lo tanto calculamos ∆ : =∗∗
1640,36 = 47
∆ ∆
∆ ∗ 0,1672 ∗ ° 0,01
∆ = 2,087 (76,6 + 273,15 ) = 2,087 = 350,663°
Luego: = 25° , tenemos: =
=
( + ) 2
(550,663° + 298,15°) 2 = 324,41° = 51,26°
T
k
v
Pr
50
0,02735
1,798*(10^-5)
0,7228
51,26
x
y
z
60
0,02808
1,896*(10^-5)
0,7202
Tabulando obtenemos los siguientes valores:
= = 0,02744
°
5
= = 1,81 ∗ 10
2
= = 0,7225 =
1 350,663°
Para una placa vertical la longitud característica es la altura: = 0,38
El número de Rayleigh es: ɡ ∗ ∗ ( ) ∗ ∗ = 9,81/ ∗ =
1 ∗ ( 350,663° 298,15°) ∗ 0,38 ∗ 0,7225 350,663° (1,81 ∗ 10− /) = 3217,78
Luego se calcula el número de Nu: = (0,825 +
0,387 ∗ ( )/
0,492 ( 1 + ( )/ )/
)
= (0,825 +
0,387 ∗ (3217,78)/
0,492
)
)/ )/ 0,7225
(1+(
= 4,298
Ahora calculamos el coeficiente de transferencia de calor por convección:
ℎ = ∗
ℎ = 4,298 ∗
ℎ = 0,31
0,02744 0,38 °
= 0,1672
Por lo tanto: = ℎ ∗ ∗ ( ) = 0,31
°
∗ 0,1672 ∗ ( 350,663° 298,15°) = 2,7219
NOTA: Este resultado es para una cara, pero como son 2 caras el procedimiento es el mismo al igual que la pérdida de calor.
Parte Lateral: = 0,3192 , tenemos que: =∗∗
1640,36 = 47
∆ ∆
∆ ∗ 0,3192 ∗ ° 0,01
∆ = 1,093° (76,6 + 273,15 ) = 1,093° = 348,657°
Calculamos la Temperatura de Película:
=
=
( + ) 2
(348,657° + 298,15°) 2
= 323,40° = 50,25°
T
k
v
Pr
50
0,02735
1,798*10^(-5)
0,7228
50,25 60
x 0,02808
y 1,986*10^(-5)
z 0,7202
Tabulando obtenemos los siguientes valores:
= = 0,0274
° 5
= = 1,8 ∗ 10
2
= = 0,7227 =
1 323,4°
Para una placa vertical la longitud característica es la altura: = 0,38
Con este valor calculamos el número de Rayleigh: ɡ ∗ ∗ ( ) ∗ ∗ = 9,81/ ∗ =
1 ∗ (348,657° 298,15°) ∗ 0,38 ∗ 0,7227 323,4° (1,81 ∗ 10− /) = 3375,34
Calculamos el número de Nu: = (0,825 +
0,387 ∗ ( )/
0,492 ( 1 + ( )/ )/
)
= (0,825 +
0,387 ∗ (3375,34)/
0,492 ( 1 + (0,7227)/ )/
= 4,3395
)
Cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección: ℎ = ∗
ℎ = 4,3395 ∗
ℎ = 0,313
0,0274 0,38
°
Finalmente la transferencia de calor es: = ℎ ∗ ∗ ( ) = 0,313
°
∗ 0,3192 ∗ ( 348,657° 298,15° = 5,046
IV. CONCLUSIONES
El calor aportado por el carbón natural en la cocción de la caja china es = 303,33 La temperatura adecuada en el interior de la caja china debe ser de 76,6º C para tener un cocido uniforme en toda la carne de cerdo. El material aislante es el aire es un análogo al que se usa en los termos para reducir las pérdidas de calor en las paredes de la caja china. El número de aletas óptimas para aprovechar al máximo el calor transferido por la fuente de calor son 47 espaciadas 0,017m con un espesor de 0.001m y una profundidad de 50mm. (Ver planos de diseño). El coeficiente de Convección manteniendo la presión en el interior igual a 1 atm es de :
Determinar el Coeficiente de Convección en el interior de Caja China. Determinar el Coeficiente de Convección entre las paredes internas y externas de Caja China. Demostrar que se puede despreciar la perdida de calor entre las paredes. Demostrar que se puede utilizar la temperatura exterior en la base de la Caja China en la base interior de la misma. El coeficiente de Convección manteniendo la presión en el interior igual a 1 atm es de: h=2,905w/( °) La convección en las paredes de la caja china se puede despreciar ya que el coeficiente de convección no cumple los parámetros establecidos para aplicar las fórmulas de Nu y RaL. El espesor entre paredes es muy angosto casi despreciable. Como dice el libro Cengel-Yunus (transferencia de calor 5ta Edición) la temperatura en la base de una placa expuesta a una fuente de calor de espesor muy reducido se puede tomar como la temperatura a la cual está expuesta. Queda demostrado ya que: Tbex=350ºC, Tbint=349,65ºC si la aproximamos obtendríamos la Tbex. El diseño y su fabricación queda detallado en los planos de dibujo adjuntados en los apartados correspondientes.
V. RECOMENDACIONES:
Como diseñadores del presente proyecto hacemos de conocimiento que para el uso adecuado de la Caja China se recomienda usar una masa de carbón de (12 a 15) kg cuya masa se irá añadiendo en intervalos de 1 hora a lo largo de un tiempo de 3 horas en toda la cocción. No tener expuesta la caja china demasiado tiempo a la temperatura ambiente ya que esto haría que el coeficiente de convección cambie y por ende el calor que necesita la carne de cerdo quedará cruda y no obtendrá el crocante exquisito que se busca. Para aprovechar el calor de la fuente, en el interior se pueden añadir papas, camotes alguna verdura con lo que se desee acompañar al cerdo. No se recomienda la construcción de una parrilla ya que al hacerlo estamos exponiendo los alimentos al humo de la combustión del carbón con el fuego. (Ver Marco de Referencia del Problema). Después de cada uso se recomienda limpiar la caja china dentro de 1/2 hora o al terminar con un trapo húmedo limpio, para evitar los gérmenes en el ambiente. Se recomiendo guardar la Caja China descubierta con el fin de evitar malos olores y la proliferación de hongos. Como medida de seguridad antes de su uso dar la limpieza correspondiente. Las bacterias pueden causar daños estomacales.
VI.
ANEXOS ANEXO N°1: Propiedades del aire a presión de 1 atm.
ANEXO N°2: Correlaciones empíricas del número promedio de Nusselt para la convección natural sobre superficies
ANEXO N° 3: Determinación de coeficientes de convección en un transistor
ANEXO N° 3 (Continuación)
VII.
Linkografia:
VIII.
http://www.conexionlasamericas.com/diciembre12/paginas/humodelenaries gosparalasalud.html http://www.conexionlasamericas.com/diciembre12/paginas/humodelenaries gosparalasalud.html http://www.cegesti.org/exitoempresarial/publicaciones/publicacion_123_13 0910_es.pdf http://www.vitonica.com/alimentos/cocinar-a-la-parrilla-puede-ser-malo para-la-salud http://www.vitonica.com/alimentos/el-riesgo-de-los-ahumados https://monocomebanana.wordpress.com/2013/10/03/cual-es-el-origen-dela-caja-china/
Bibliográfia:
[1] Y. A. Cenguel, Transferencia de calor y masa: Fundamentos y aplicaciones, México, D.F.: Mc Graw Hill, 2011.
