BALANCE DE MASA EN SOLUCIONES AZUCARADAS

BALANCE DE MASA EN SOLUCIONES AZUCARADAS

DISEÑO DE AQUIPO PARA LA DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DE UN SÓLIDO

CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN 2

2. OBJETIVOS DEL EXPERIMENTO 4

3. FUNDAMENTO TEORICO 4

3.1. CONDUCCION DE CALOR 5

3.2. CONDUCTIVIDAD TERMICA 5

3.3. LEY DE FOURIER 5

4. DISEÑO DEL EXPERIMENTO 10

4.1. MATERIALES 12

4.2. MÉTODOS 12

5. DESCRIPCION DEL EQUIPO DISEÑADO 12

6. EJECUCION EXPERIMENTAL 14

7. RESULTADOS 15

7.1. CÁLCULOS..........................................................................................15

7.2. GRÁFICOS ...........................................................................................17

8. CONCLUSIONES 21

9. RECOMENDACIONES...............................................................................21

10. ANEXOS....................................................................................................22

11. BIBLIOGRAFIA..........................................................................................26

INTRODUCCIÓN

Acceder a los valores de las propiedades físicas de los materiales y productos industriales se ha convertido en un elemento que marcha aparejado con el desarrollo alcanzado en el mundo moderno. En la mayoría de las industrias de producción se requiere conocer el comportamiento o relación que tienen estas propiedades con las variables de proceso, entre las que se pueden citar, la temperatura y la composición, entre otras. Formando parte del conjunto de propiedades se encuentran la conductividad térmica, la difusividad térmica, la capacidad calorífica, las cuales dependen fundamentalmente de la temperatura, por lo que se incluyen en el grupo de las propiedades térmicas. Es por esta razón que están muy relacionadas con el consumo energético y el uso adecuado de los recursos naturales, influyendo en gran medida sobre la viabilidad económica, ambiental y social de cualquier actividad productiva.

Conocer cómo se comportan las propiedades térmicas resulta de gran importancia para el funcionamiento adecuado de procesos en los que existe intercambio térmico; permitiendo simular y diseñar cargas térmicas, optimizar o mejorar el diseño de diversos componentes en las plantas de procesos industriales, y en particular de los equipos donde se evoluciona calor por conducción.

Un adecuado diseño de equipos garantiza condiciones de operación adecuadas, pues con el valor de las propiedades y la dependencia de las mismas con las distintas variables pueden predecirse cargas caloríficas, tiempos de calentamiento, enfriamiento, etc. Factores estos que son determinantes en la calidad del producto, ya sea durante la elaboración o la conservación de los mismos.

Un motivo que ha impulsado el desarrollo de este trabajo es que la bibliografía donde se reportan valores de propiedades térmicas es escasa. En muchos casos no se reportan los valores de las propiedades térmicas de los materiales que se fabrican y/o utilizan en los proyectos y diseños, por lo que se opta por tomar los resultados que aparecen en la literatura, cuyos valores, en su mayoría, no se corresponden con los que se obtienen, debido a que cada localidad tiene sus propias características de humedad, composición, entre otros factores que influyen sobre dichos resultados.

También se observa que generalmente solo aparecen para sustancias muy específicas y en condiciones limitadas, por lo que se hace necesario disponer de métodos experimentales confiables para su obtención.

En la investigación sobre métodos y equipos de medición usados para cuantificar el coeficiente de conductividad térmica de materiales, se observa que para el estudio de esta propiedad no existe un método o instrumento específico (único) para realizar su medición.

Sin embargo, se pueden encontrar varios métodos experimentales por medio de los cuales se pueden obtener aproximaciones del valor del coeficiente de conductividad térmica de un material en estudio, requerido para una aplicación en particular.

Según Alexander Díaz Arias (Prof. Ing. Facultad de Ingeniería Mecánica - Universidad Tecnológica de Pereira), manifiesta: “el problema de la realización de medidas de conducción térmica es que no existe un método definido para la realización de esta prueba, pero se reduce a buscar un mecanismo, que nos permita aplicarle una cantidad de calor conocido a una probeta del material que se está estudiando y basándonos en la ley de Fourier, podemos fácilmente medir la diferencia de temperaturas y despejar el coeficiente de conductividad térmica (K) del material que está siendo sometido a estudio”.

En ese sentido, en este trabajo se diseña y construye un dispositivo experimental para medir la conductividad térmica de materiales solidos particulados, utilizados en la industria alimentaria. Asi mismo se muestran resultados de muestras de harinas cocidas, tanto dulce como salada, provenientes de galletas producidas comercialmente

OBJETIVOS DEL EXPERIMENTO

El objetivo fundamental de este trabajo ha sido el diseño y desarrollo de un equipo para la medida de la conductividad térmica en función de la temperatura, capaz de trabajar en un amplio intervalo de temperaturas y conductividades, y que se pueda utilizar para diferentes tipos de productos alimenticios sólidos.

Determinar los valores de conductividad térmica de diferentes tipos de harinas en función de la temperatura.

Conocer la conductividad térmica de distintos alimentos y comparar con los valores bibliográficos

FUNDAMENTO TEORICO

Los alimentos de origen biológico son sistemas complejos y están sujetos a una gran variabilidad en su composición, estructura y geometría final. Las propiedades térmicas de alimentos manufacturados están íntimamente ligadas a los procesos térmicos.

Para el cálculo de las propiedades térmicas de los alimentos se requiere determinar los parámetros de contorno del proceso de medición del material en estudio, teniendo como una variable fundamental a la temperatura.

La diferencia de temperaturas en distintos puntos de un sistema, genera los procesos de intercambio de calor, que pueden ser debidos a tres mecanismos térmicos:

conducción

convección

radiación.

Para el presente trabajo se medirá la cantidad de calor transferida por conducción.

CONDUCCION DE CALOR

La conducción de calor es un mecanismo de transferencia de energía térmica entre dos sistemas basado en el contacto directo de sus partículas, que tienden a igualar su temperatura o estado de excitación térmica.

CONDUCTIVIDAD TERMICA

La conductividad térmica es una propiedad es propia e inherente de cada material, que indica su capacidad para conducir calor a través de ellos. Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, y es baja en los gases y en materiales iónicos y covalentes, siendo muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio, que se denominan por eso aislantes térmicos. La conductividad térmica es nula en el vacío ideal, y muy baja en ambientes donde se ha practicado un vacío elevado.

Este principio se basa en la “ley de Fourier”.

LEY DE FOURIER

La ley de Fourier afirma que hay una proporcionalidad entre el flujo de energía J (energía por unidad de área y por unidad de tiempo), y el gradiente de temperatura dT/dx.

En la figura 1 se muestra que la energía del elemento cambia, en la unidad de tiempo, en una cantidad igual a la diferencia entre el flujo entrante y el flujo saliente.

Figura 1: Esquema de flujo de energía.

Esta energía, se emplea en cambiar la temperatura del elemento.

J=K.(T_A-T_B)/d

Siendo:

d : la longitud de la barra

(TA-TB) : la diferencia de temperaturas entre sus extremos.

K : constante de proporcionalidad

La constante de proporcionalidad K es característica del material y se denomina conductividad térmica.

La cantidad de calor Q que llega al extremo opuesto de la barra en el tiempo t es:

Q=J.S.t

Siendo S el área de la sección de la barra.

Q=K.(T_A-T_B)/d.S.

Tabla n°1 conductividad térmica de frutas frescas y secas

Fruta T° (°C) K (w/m°c)

fresa 28 0.462

cereza 28 0.527

platano 27 0.481

Manzana fresca 29 0.462

Manzana seca 23 0.190

albarioque 23 0.375

pera 28 0.595

Piña 27 0.549

Naranja 28 0.580

Limón 18 0.525

Grosella 23 0.357

Dátil 23 0.337

Higo 23 0.335

Durazno 23 0.361

Ciruela 26 0.551

Ciruela pasa 23 0.336

Ciruela dorada 23 0.343

Uva pasa 0 0.308

Sweat (1974-1985)

Tabla n° 2 conductividad térmica de algunos vegetales

Vegetales T° (°C) K (w/m°c)

Pepino 28 0.600

Remolacha 28 0.600

Zanahoria 28 0.605

Cebolla 28 0.500

Nabo 24 0.563

Aguacate 28 0.430

Brócoli -6 0.385

papa 0-70 -

Fuente: Sweat (1974)

En donde exista la presencia de guion, no se presenta datos

Tabla n°3 conductividad térmica de granos

nombre T° (°C) K (w/m°c)

Maíz 80-88 -

Arroz 0 0.265

Trigo 80-88 -

Fuente: kazarian y hall,(1965)

Tabla n° 4 conductividad térmica de productos

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