UNIVERSIDAD DEL VALLEFACULTAD DE INGENIERIA-ESCUELA DE INGENIERIA DE LAIMENTOS

Diseño de un sistema de congelación de corte de cordero

Calcular el tiempo de congelación y la carga de calor a remover de cortes de cordero que fluye en un sistema de congelación continuo a razón de 4500 Kg/h. El alimento se congela desde 15°C hasta -18°C. El sistema funciona con aire a -25°C y 6m/s que se enfría en el evaporador de un sistema mecánico de refrigeración que funciona con el refrigerante 134a. El R134a como líquido saturado tiene un calor específico de 0,3Btu/lb °F y un calor latente de vaporización de 95,7 Btu/lb. El refrigerante tendrá una temperatura en el evaporador de -35°C y en el condensador de 35°C. Calcule la potencia eléctrica requerida en el compresor.Represente en el diagrama de presión-entalpía del R134a el ciclo del refrigerante.

Las ecuaciones a utilizar son:

Donde ρs = Densidad del producto descongelado (kg/m3)ΔHL = Calor latente de congelación (kJ/kg)Tf = Punto de congelación (K)Ta = Temperatura del medio de congelación (K)d = Diámetro esfera o cilindro o espesor placa (m)h = Coeficiente de transferencia de calor por convección (W/m2K)λ = Conductividad térmica del producto congelado (W/mK)P, R = Factores de forma: Esfera → P = 1/2, R = 1/8

Donde Cpac y Cpdc es el calor específico de corte de cordero antes y después de congelar, respectivamente.

Fr (tasa de flujo del refrigerante en kg/s).

La potencia eléctrica requerida en el compresor:

El coeficiente de rendimiento se calcula:

Determinación de propiedades termo físicas de cortes de cordero

Tabla 1. Composición de cortes de corderoComposición XiAgua 0,734

Proteína 0,2029Grasa 0,0525

Carbohidratos 0Fibra 0

Ceniza 0,0106Punto de

congelación (ºF) 28,6

Fuente: Becker B. Fricke B. Chapter 8. Thermal Properties of Foods. Table 3. ASHRAE. University of Missoouri. 1998.

Tabla 2. Equivalencia de temperaturas

T(ºC) T(ºF)-18 -0,4

-1,88 28,615 59

Tabla 3. Resultados de la aplicación modelos de Propiedades Térmicas para componentes de alimentos ( )

Tabla 4. Datos del problemaDatos

M (kg/s) 1,25Ta (°C) -25

v air (m/s) 6Ti (°C) 15Tf(°C) -18

Cp r (kJ/kg.K) 1,256∆H vap r (kJ/kg) 222,40

Te (°C) -35Tc (°C) 35

Tabla 5. Datos supuestos para el corderoSuposiciones

Largo (m) 0,25Espesor(m) 0,01

Punto congelación (°C) -1,88

Para determinar el coeficiente de transferencia de calor h por medio de la correlación de Nusselt (NNU), se asumirá que el fluido fluye paralelo a una placa plana y hay transferencia de calor entre la totalidad de la placa de longitud L m y el fluido, el valor de NNU es, para un número de Reynolds (NRe), inferior a 3 x 105 en la región laminar y un Npr > 0.7, se utiliza la siguiente ecuación:

Que equivale a h*L/k

Tabla 6. Propiedades Físicas del aire a Tf para los cálculos

Propiedades del aire a TfTf (K) 268

μ (kg/m.s) 1,69E-05

ρ (kg/m3) 1,318Cp (kJ/kg.K) 1,0048K (kW/m.K) 0,00002372

Tabla 7. Cálculos y resultados de Tiempo de congelación, calor removido y potencia eléctrica requerida en el compresor.

CálculosNre 116982,2NPr tablas 0,7165NPr calculado 0,7159Nnu 203,2H (W/m2K) 19,28ρ alim sin cong. (kg/m3) a 15°C 1073,5λ alim congelado (W/m.K) a -18°C 1,919∆HLcrist(kJ/kg) 335∆H l alim (kJ/kg) 245,89Espesor (m) 0,01P 0,50R 0,125Tiempo de congelación (h) 1,73Cp ac a 15°C (kJ/kg.K) 3,59Cp dc a -18°C (kJ/kg.K) 3,82Qe (KW) 460,08Fr (kg/s) 3,42Ec (kW) 223,708COP 2,056

La tabla anterior muestra que en 1.73 h se congela un corte de cordero asumiéndolo como una placa plana con espesor de 0,01 m, siendo este un factor clave para que este proceso se lleve a cabo en un tiempo corto, si consideramos que el tiempo estimado para congelar un alimento por conveniencia no debe superar las 4 horas.El calor removido es 460,08 Kw siendo muy alto comparado con otro alimento cuya cantidad de agua sea menor, esto se debe a que el Cp del agua es alto, de igual manera el proceso exige mayor

potencia del compresor, pero este efecto se ve retribuido con una mejor eficiencia del proceso de transferencia de calor. El coeficiente de transferencia de calor conectivo h no es tan alto posiblemente porque no tiene un flujo con mucha turbulencia por ende la eficiencia de la transferencia depende más de su composición.

Ciclo del Refrigerante 134a

Figura 1. Resultados simulación ciclo refrigerante 134a

Figura 2. Diagrama Presión-Entalpía para refrigerante 134a

El ciclo de refrigerante 134a, El calor removido al alimento llega al evaporador donde el refrigerante está a -35°C, donde se forma la mezcla vapor-líquido, después sale el vapor del evaporador a un compresor que luego pasa al refrigerante de baja a alta presión para luego ser condensado pasando después por una válvula de expansión donde se baja la presión del refrigerante, que finalmente enfriará el aire a -25°C, que será el encargado de congelar el corte de cordero.

BIBLIOGRAFIA

Tomado de: Becker B. Fricke B. Chapter 8. Thermal Properties of Foods. ASHRAE. University of Missoouri. 1998.

Simulador cap 14. Refrigeration Geankoplis C. Procesos de transporte y operaciones unitarias. 3 ed. México 1998 Notas de clase: uso del frio en la conservación de alimentos