"SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO" FACULTAD DE INGENIERIA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
Mecanismos de Radiación
Quemador
UNIVERSIDAD NACIONAL DE ANCASH
D L UFSE E R Z O D E S U S HIJOS DEPENDE EL P R O G R E S O D E L O S SOLBEUPUNASAM
Mecanismos de Radiación La transferencia de Calor por radiación, es la transferencia de energía a través del espacio por medio de ondas electromagnéticas. Corresponde al proceso en el cual el calor fluye desde un cuerpo de alta temperatura a un cuerpo de baja, cuando están separados por un espacio que puede ser el vacío (Hornos). Este mecanismo ocurre a altas temperaturas. No se requiere de un medio físico, para que exista radiación. D L UFSE E R Z O D E S U S HIJOSDEPENDEELP R O G R E S O D E L O S SOLBEUPUNASAM INGENIERÍA DE ALIMENTOS I - CLASE PRESENCIAL Dr. ANGEL QUISPE TALLA – UNASAM – FIIA Dr. ANGEL QUISPE T ALLA aquispet@unasam.edu.pe
ESPECTRO DE RADIACION D L UFSE E R Z O D E S U S HIJOSDEPENDEELP R O G R E S O D E L O S SOLBEUPUNASAM INGENIERÍA DE ALIMENTOS I - CLASE PRESENCIAL Dr. ANGEL QUISPE TALLA – UNASAM – FIIA Dr. ANGEL QUISPE T ALLA aquispet@unasam.edu.pe
COMBINADOS
MECANISMOS
D L UFSE E R Z O D E S U S HIJOSDEPENDEELP R O G R E S O D E L O S SOLBEUPUNASAM INGENIERÍA DE ALIMENTOS I - CLASE PRESENCIAL Dr. ANGEL QUISPE TALLA – UNASAM – FIIA Dr. ANGEL QUISPE T ALLA aquispet@unasam.edu.pe
Transmisión de Calor por Radiación
Mientras que la conducción y la convección térmica tienen lugar solo a través de un medio natural, la Radiación térmica puede transportar el calor a través de un fluido o del vacío, en forma de ondas electromagnéticas o fotones como resultado de los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas, estos se propagan a la velocidad de la luz. La cantidad de energía que abandona una superficie en forma de calor radiante depende de la temperatura absoluta a la que se encuentra y también la naturaleza de la superficie. El radiador perfecto o cuerpo negro, emite una cantidad de energía radiante de su superficie, Qr
ANGEL QUISPE T ALLA
D L UFSE E R Z O D E S U S HIJOSDEPENDEELP R O G R E S O D E L O S SOLBEUPUNASAM INGENIERÍA DE ALIMENTOS I - CLASE PRESENCIAL Dr. ANGEL QUISPE TALLA – UNASAM – FIIA Dr.
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La ecuación anterior dice: que toda superficie negra irradia calor proporcionalmente a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. Siendo la emisión independiente de las condiciones de los alrededores, la evaluación de una transferencia neta de energía radiante requiere una diferencia en la temperatura superficial de dos o mas cuerpos entre los cuales tiene lugar el intercambio Si un cuerpo negro irradia calor a un recinto que la rodea completamente y cuya superficie es también negra, es decir, absorbe toda la energía radiante que incide sobre el, la transferencia neta de energía radiante viene dada por:
D L UFSE E R Z O D E S U S HIJOSDEPENDEELP R O G R E S O D E L O S SOLBEUPUNASAM INGENIERÍA DE ALIMENTOS I - CLASE PRESENCIAL Dr. ANGEL QUISPE TALLA – UNASAM – FIIA Dr.
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INGENIERÍA DE ALIMENTOS I - CLASE PRESENCIAL Dr. ANGEL QUISPE TALLA – UNASAM – FIIA Dr. ANGEL QUISPE T ALLA aquispet@unasam.edu.pe El calor radiante neto transferido por un cuerpo gris a la temperatura T1 a un cuerpo negro que lo rodea a la temperatura T2 es:
D L UFSE E R Z O D E S U S HIJOSDEPENDEELP R O G R E S O D E L O S SOLBEUPUNASAM INGENIERÍA DE ALIMENTOS I - CLASE PRESENCIAL Dr. ANGEL QUISPE TALLA – UNASAM – FIIA Dr. ANGEL QUISPE T ALLA aquispet@unasam.edu.pe = Emisividad, propiedad de la superficie es numéricamente igual al cociente de la emisión de radiación del cuerpo en estudio con respecto a la de uno negro, adquiere valores entre 0 y 1 y constituye una medida para evaluar cuan efectivamente emite radiación un cuerpo real con respecto a uno negro Este mecanismo consiste en una transferencia de energía de un cuerpo caliente a otro mas frío mediante ondas electromagnéticas. Para el caso de los alimentos este mecanismo es importante en las operaciones de horneado por radiación térmica o microondas.
La
REPRESENTACIÓN DE UNA ONDA ELECTROMAGNÉTICA
Las
en
por la
(designada como c
La
de
se mueve en línea
de la luz- si este
de
con
es a través del
la distancia entre
entre la
es la
y es igual a la
D L UFSE E R Z O D E S U S HIJOSDEPENDEELP R O G R E S O D E L O S SOLBEUPUNASAM INGENIERÍA DE ALIMENTOS I - CLASE PRESENCIAL Dr. ANGEL QUISPE TALLA – UNASAM – FIIA Dr. ANGEL QUISPE T ALLA aquispet@unasam.edu.pe
naturaleza de la radiación a confundido a los científicos por siglos. Maxwell propuso que esta forma de energía viaja como una vibración eléctrica y perturbación magnética a través del espacio en una dirección perpendicular a dicha perturbación.
En la figura la oscilación eléctrica y la oscilación magnética son perpendiculares (la eléctrica en el plano xy y la magnética en el xz).
ondas están viajando en dirección x. Una onda electromagnética puede ser definida
términos
frecuencia
oscilación designada
letra griega nu (v).
onda
recta
velocidad constante
– velocidad
movimiento
vacío);
picos sucesivos
longitud de onda (ʎ )
velocidad
frecuencia
D L UFSE E R Z O D E S U S HIJOSDEPENDEELP R O G R E S O D E L O S SOLBEUP INGENIERÍA DE ALIMENTOS I - CLASE PRESENCIAL Dr. ANGEL QUISPE TALLA – UNASAM – FIIA Dr. ANGEL QUISPE T ALLA aquispet@unasam.edu.pe El espectro electromagnético cubre una gran cantidad de longitudes de onda, desde ondas muy cortas hasta muy largas ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO Cuando un cuerpo produce ondas electromagnéticas lo hace generalmente emitiendo un amplio espectro que depende de lo "caliente" que se halle. Un buen ejemplo es una placa de hierro que se coloca en un extremo de un mechero PLACA DE HIERRO INCANDESCENTE
D L UFSE E R Z O D E S U S HIJOSDEPENDEELP R O G R E S O D E L O S SOLBEUPUNASAM INGENIERÍA DE ALIMENTOS I - CLASE PRESENCIAL Dr. ANGEL QUISPE TALLA – UNASAM – FIIA Dr. ANGEL QUISPE T ALLA aquispet@unasam.edu.pe En la figura se muestra que el tipo de color emitido por la placa varía según su temperatura. En realidad no se requiere incandescencia para que se presente radiación; todos los cuerpos con temperaturas superiores al cero absoluto radian. La distribución de la radiación que emiten los cuerpos se muestra en la figura siguiente : DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA
DE
UN CUERPO RADIANTE
SEGÚN
LA LONGITUD
DE ONDA
D L UFSE E R Z O D E S U S HIJOSDEPENDEELP R O G R E S O D E L O S SOLBEUPUNASAM INGENIERÍA DE ALIMENTOS I - CLASE PRESENCIAL Dr. ANGEL QUISPE TALLA – UNASAM – FIIA Dr. ANGEL QUISPE T ALLA aquispet@unasam.edu.pe En un sistema cerrado los cuerpos intercambian energía por radiación hasta que su temperatura se iguale. El tipo de superficie de un cuerpo es importante en este intercambio. Como todo material, cuando un alimento es expuesto a ondas, parte de ellas se absorben y transforman en calor, otra parte se refleja y otra parte se transmite a través de él: DESDOBLAMIENTO DE LA ENERGÍA ELECTROMAGNÉTICA INCIDENTE EN UN ALIMENTO
La absorbancia de un alimento depende de su naturaleza química, color y estado de su superficie, además de las característica del emisor (la discriminación de las ondas electromagnéticas que emite, o distribución espectral de su radiación). Mientras mas agua contenga, mejor absorbente es; otros constituyentes que absorben energía en los alimentos son las proteínas, los azúcares y los lípidos
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D L UFSE E R Z O D E S U S HIJOSDEPENDEELP R O G R E S O D E L O S SOLBEUPUNASAM INGENIERÍA DE ALIMENTOS I - CLASE PRESENCIAL Dr. ANGEL QUISPE TALLA – UNASAM – FIIA Dr. ANGEL QUISPE T ALLA aquispet@unasam.edu.pe Todos los cuerpos también emiten energía. A una misma temperatura , y en equilibrio con los alrededores, el valor de la emisividad y la absorbancia de un cuerpo son los mismos: Un cuerpo negro se define como aquel que absorbe toda la energía que recibe (a =1)
UNIVERSIDAD NACIONAL DE ANCASH "SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO" FACULTAD DE INGENIERIA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS TESIS PARA OPTAR EL TITULO DE INGENIERO DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS DISEÑO CONSTRUCCION Y EVALUACIÓN DE UN SISTEMA DE HORNO CON RAYOS INFRARROJOS AUTORES : NEIL PRUDENCIO VARGAS ROMERO HERZEN EDGAR HUERTA POLO HUARAZ – PERÚ 2008 D L UFSE E R Z O D E S U S HIJOS DEPENDE EL P R O G R E S O D E L O S SOLBEUPUNASAM Quemador
Quemador
SELECCIÓN DEL PROBLEMA
¿Será posible diseñar un horno con rayos infrarrojos que optimicen los sistemas de horneado tradicional y que no provoque daño en el organismo humano?
JUSTIFICACIÓN DEL ESTUDIO
El proceso de cocción a través de rayos infrarrojos evita la combustión de los residuos de grasa proveniente de la carne en cocción, en el que se va formar sustancias cancerígenas en forma de gas, dicho gas al entrar en contacto con la carne en proceso de cocción esta se contamina.
Quemador
OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
Objetivo general. Diseñar y evaluar el horno con rayosinfrarrojos para sistema de horneado confuente energética de gas doméstico Objetivos específicos
Desarrollo del diseño de sistema de horneado para carnes
- Construcción del horno de sistema de rayos infrarrojos.
Realizar la prueba de Evaluación delequipo definitivo.
-Elaboración de los procedimientos defuncionamiento y mantenimiento.
-
-
HIPÓTESIS.
Es posible el diseño de un sistema de horneado para carnes con rayos infrarrojos que eviten el quemado de grasa que no generen polímeros grasos y provoque daño en el organismo humano.
⚫
III. RESULTADO Y DISCUSIÓN 3.1. RESULTADOS EN LA PRIMERA ETAPA MEDIDAS BIOMETRICAS(POLLO – PARRILLERO) MUESTRAS 1 2 3 4 5 6 7 8 PROMEDIOMEDIDAS 18 21 22 21 20 22 23 22 21,125 LONGITUD (cm) DIAMETRO 14 13 12.5 14 13 12.8 13 13 13.163(cm) PESO 1.187 1.18 1.22 1.24 1.25 1.21 1.20 1.19 (Kg) 1.209
RESULTADOS EN LA SEGUNDA ETAPA DISEÑO DEL SISTEMA
CONSTRUCCION DEL CHASIS
Material. Tubo cuadrado de Acero inoxidable de grado alimentario.
Espesor. 1.5 mm de espesor y 2 cm de diámetro
Unidad de medida. Centímetro
3.2.
DE LA
ANGULAR DEL MOTOR PARA ESTE REPORTE SE CONSIDERÓ EL SIGUIENTE CRITERIO
el cálculo se tuvo en cuenta el número de vueltas que danlos hornos tradicionales (1 Vuelta en 30 s. aprox.) aplicandoeste referente a nuestro diseño, se hizo el cálculo del motor.Para tal fin se aplicó la siguiente ecuación:
CÁLCULO
VELOCIDAD
Para
Nº vueltas W = t 1revol. 60s. W = 30s. 1min W = 2rpm
A PARTIR DE CRITERIO ANTERIOR Y Teniendo como resultado la velocidad angular necesaria para calcular la potencia del motor, se utilizó la siguiente ecuación Donde: M= Torque entregado por el motor W= Velocidad angular del motor P = Potencia del motor W: 2 rpm M: 1.8 (Torque requerido por el sistema) P = (2) (1.8) = 3.6 Watt • Potencia que permitió seleccionar el motor en el mercado que permite un contra giro si este se detiene y evitar que se trabe CALCULO DE POTENCIA DE MOTOR P =M W
DISEÑO PARA LA UBICACIÓN DE LOS MOTORES
Material. Plancha de acero inoxidable Espesor. 2mm de espesor Unidad de medida del gráfico: Centímetro
DISEÑO DE LOS BASTIDORES
Material. Plancha de acero inoxidable Espesor. 2mm de espesor Unidad de medida del gráfico: Centímetro
CALCULO DE LA POTENCIA DE LOS QUEMADORES Donde: ε = 0.74 : Emisividad del pollo σ = 5.73*10-8 : constante de de Stefan Boltz A= 0.379 m2 : Área del pollo Q = 7599.67 Kcal/h Q instalado:2250+5500=7750 Kcal/h Margen adicional :1.9 % Q = ε σ A (T1 4 - T2 4 ) Q = 0.74*5.73*10-8 * 0.379 (8734 - 3734)
CÁLCULOS DE LONGITUD DE ONDA Ecuación de Wien: λ max .T = 2898μm ºK Donde: T = 750ºC 2898μm ºK λ max = T λ max = 2800 nm DOMINIO ESPECTRAL DE LA RADIACIÓN INFRARROJA Fuente: Angel Valea (1998)
Material. Plancha de Acero inoxidable Espesor. 1.5mm de espesor Unidad de medida del gráfico. Centímetro DISEÑO PARA LA UBICACIÓN DE LOS QUEMADORES
DISEÑO PARA LA UBICACIÓN DE LOS CONTROLES
Plancha de acero inoxidable
de
del
Material.
Espesor. 1.0 mm de espesor Unidad
medida
gráfico: Centímetro
DISEÑO DEL LATERAL DERECHO
Material. Plancha de acero inoxidable
Espesor. 1 mm de espesor.
Unidad de medida del gráfico : metro.
DISEÑO DE LA PARTE POSTERIOR DEL HORNO
Material. Acero inoxidable
Unidad
Espesor. 1.0 mm de espesor
de medida del gráfico Centímetro
DISEÑO DE LA BANDEJA RECOLECTORA
Material. Acero inoxidable
de
Gráfico:.
Espesor. 1.5mm de espesor Unidad
medida del
Centímetro
DISEÑO DE LA PUERTA
Material. Vidrio pirex
Espesor. 5 mm de espesor Unidad de medida. Centímetro
EL DISEÑO COMPLETO DEL HORNO
3.. RESULTADOS DE TIEMPO DE HORNEADO ❖ DATOS DE POLLO PARRILLERO ❖ MEDIDAS BIOMETRICAS ❑ BIOMETRIA DEL POLLO ❑ MODELO DEL SOLIDO : ESFERA ❑ DIAMETRO PROMEDIO : 13. 163 cm R = 0.0658 m ❑ TEMPERATURA INICIAL = 25ºC ❖CARACTERISTICAS FISICOQUIMICAS ❖ CONDUCTIVIDAD TÉRMICA KPOLLO = 0.65 W / m X ºK DIFUSIVIDAD TÉRMICA ∂POLLO = 1.5 x 10-7 m2/s ❖ TEMPERATURA EN EL CENTRO DEL POLLO = 120ºC
❑ DATOS DEL HORNO ▪ TEMPERATURA EFECTIVA DE HORNEADO = 180º C ▪ COEFICIENTE DE PELICULA DEL SISTEMA A 180º C haire = 20 W /m2 x ºK ❑ CALCULO DEL TIEMPO DE HORNEADO CONSIDERANDO QUE EL HORNEADO ES UN PROCESO DE TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN, CONVECCIÓN Y CONDUCCIÓN Y EN LA COCCIÓN DEL POLLO FUNDAMENTALMENTE SE DA LA CONDUCCIÓN EN ESTADO TRANSITORIO POR LO QUE LA SOLUCIÓN GRAFICA SE REALIZO MEDIANTE LOS GRAFICOS DE HEISLER TX=0 - T∞ > PARA GRAFICOS DE HIESLES Ti - T∞
TX=0 = 120º C T∞ = 180º C Ti = 25º C TX=0 - T∞ 120 - 180 = = 0.387 Ti - T∞ 25 - 180 CÁLCULO DE LA INVERSA DE BIOT : 1/ Bi = K / h x R = 0.65 W x m-1 x º K-1 / 20 W x m-2 xºK-1 x 0.0658 m 1/Bi = 0.4939
ESFERAS
❖ INGRESANDO A LOS GRAFICOS DE HEISLER PARA
0.387 Fo = 0.1247
❖ CÁLCULO DEL TIEMPO DE COCCIÓN F0 x R2 0.1247 x (0.0658)2 ❖ t = = = 0.998 h ∂POLLO ( 1.5 x 10-7 ) ( 3 600) t = 1 h
DISEÑO EXPERIMENTAL Y ESTADISTICO Para el diseño del experimento se consideró 03 factores de interés: Velocidad angular (Factor A), Temperatura (Factor B), Tiempo de horneado (Factor C), en consecuencia se tiene un diseño factorial con tres variables o factores. El factor A tiene 3 niveles, el factor B tiene 2 niveles y el factor C tiene 2 niveles, por tanto se tiene 12 tratamientos: t = 3 * 2 * 2
a)Análisis de hipótesis H0 : αi = 0 βj = 0 La hipótesis nula se plantea: αi = 0 ;No existe diferencia significativa en los niveles de tratamientos. Βj = 0 ; No existe diferencia significativa en los niveles de los panelistas. Ha: αi ≠ 0 βj ≠ 0 La hipótesis alterna se plantea en el sentido: αi ≠ 0 Existe un nivel que es significativamente diferente a los Tratamientos. βj ≠ 0 Existe un nivel que es significativamente diferentes a los panelistas.
RESULTADOS DE LOS TRATAMIENTOS ANALISIS DE VARIANZA : ANVA Fuente de variación G.L S.C. C.M. Fc Ft Tratamientos Jueces Error experimental 11 7 77 1122.46 2.29 3789.25 102.04 0.327 49.21 2.07* 0.007( n.s.) 1.81 2.08 Total 95 4914 αi ≠ 0 y βj = 0
TRATAM
G
CADA
L H J K
MAYOR A MENOR
B D
IENTOS
E F
I
A C MEDIOS 11.75 10.75 9.75 8.75 7.75 6.75 5.75 4.75 3.75 2.75 1.75 1 MEDIAS DE
TRATAMIENTO DE
CALCULO DEL ERROR ESTANDAR: E.E. E.E.=√(CMe/j) E.E.= √ (49.21/8) E.E.=2.48
R.E.S. = 4.70 (SEGÚN TABLA TUKEY) D.M.S. = E.E.*R.E.S. D.M.S. = 11.65 11.75≥ 11.65 INTERPRETACION A = Velocidad angular = 2 rpm B = Temperatura = 180 °C C = Tiempo = 60minutos
V. CONCLUSIONES 5.1 Se logró diseñar, construir y evaluar un sistema de horno, utilizando 2 Quemadores infrarrojos de: 2250 kcal/h y 5500 kcal/h y como fuente de energía la combustión de propano 5.2 El sistema diseñado se sometió a pruebas de horneado con carcasas de pollo, obteniéndose la distancia promedio de 15 cm entre la fuente de radiación y el cuerpo en tratamiento.
los valores obtenidos para el horneado fueron los siguientes: la temperatura óptima de horneado fue de
con velocidad angular de 2
por
minutos.
la velocidad angular óptima para el movimiento de los bastidores es de 2 rpm y la potencia de
watts por cada motor, con un margen de
de
5.4
4
potencia adicional
10% 5.3 de acuerdo al análisis estadístico
180 ºC
rpm
60
5.5 El sistema recuperó un promedio de 600 gramos de grasas por cada lote, evitando la combustión de estas y previniendo la formación de sustancias carcinógenas originada por el goteo de grasa sobre las brasas. 5.6, El material óptimo para el diseño fue el acero inoxidable de tipo austenítico AISI 316L de 1.5mm, AISI 304 de 1.0mm y AISI 304L de 1.5mm. presentando un excelente factor de higienización
5.7 La cantidad de energía requerida por el equipo, es de: 7599.67 Kcal/hora. Por lo que se seleccionó quemadores de 5500 Kcal/hora y 2250 Kcal/hora, respectivamente; obteniendo un margen adicional de 1.9 %. 5.8 El sistema de horneado muestra un valor de 2800 nm los que se encuentran en la banda infrarroja como onda media aplicable
5.9. Durante el horneado el equipo permite utilizar el 59% de energía producida por las fuentes de calor, sin embargo se ahorra un 58% en costo de producción en comparación con los sistemas tradicionales
RECOMENDACIONES 6.1 Para el funcionamiento del sistema a diferentes altitudes sobre el nivel del mar se deberá regular el sistema Venturi a las nuevas condiciones psicométricas y obtener resultados óptimos. 6.2 Para la construcción de nuevos equipos y/o sistemas se sugiere hacer uso de criterios de eco diseño así como de consideraciones ergonómicas.
OBTENIDA DURANTE LA COCCIÓN DE LOS POLLOS, DEBERÁ SER DESTINADA A USOS DE APROVECHAMIENTO INDUSTRIAL PARA
IMPACTOS AMBIENTALES NEGATIVOS.
y experimentar estudios con otro tipo de
cerámicos similares a
sílice
aluminio.
6.3 LA GRASA
EVITAR
6.4 Profundizar
materiales
los óxidos de
y
PROCEDIMIENTO DE FUNCIONAMIENTO
ANEXOS
TRAZADO DEL DISEÑO EN LA PLANCHA
CORTADO DE LA PLANCHA
.
SOLDADO DE LAS PIEZAS DE TUBO CUADRADO DE ACERO
DOBLADO DE LA PLANCHA
REMACHADO
PULIDO
ACONDICIONADO DEL EQUIPO
PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO
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BENEFICIOS
DEL USO DEL GAS NATURAL
PRECIOS DE LOS COMBUSTIBLES EN EL PERU
ECONOMICOS