Fundamentos de Presión, Reología y Transferencia de Calor en Procesos Industriales

La presión ejercida por un sistema es la fuerza aplicada sobre el área de las paredes del sistema. La presión depende de las condiciones climáticas y de las condiciones geográficas, por lo tanto, es necesario medirla constantemente durante las experiencias, por lo que se ha definido una presión atmosférica estándar.

Tipos de Presión

Presión manométrica: Es la existente sobre la presión atmosférica. Se llama a la presión que se ejerce dentro de un proceso o en un equipo, o bien, presión de reacción.

Presión absoluta: Presión atmosférica ± Presión manométrica.

• Pm (+): se aplica cuando la presión absoluta es mayor que la atmosférica.
• Pm (-): El signo negativo indica que la presión absoluta es menor que la atmosférica y corresponde a una lectura manométrica llamada vacío o presión vacuométrica.

Instrumentos de Medición de Presión

Manómetro de Bourdon: Es un dispositivo simple y preciso para medir presiones; sin embargo, sus límites son los intervalos de presión que puede medir. El fluido entra al aparato por la conexión roscada. A medida que aumenta la presión, el tubo de sección elíptica tiende a enderezarse y el extremo que está más próximo al sistema articulado se mueve hacia la derecha, el cual mueve un piñón unido a la aguja indicadora. Además, todo el sistema se encuentra encerrado en una caja, y un disco graduado sobre el cual se lee la presión, se halla colocado bajo el índice o aguja.

Manómetro de mercurio: Corresponden a los manómetros líquidos (agua, mercurio, alcohol), que llena un tubo en forma de U. El tubo puede estar abierto o cerrado. Indica la presión por la altura de un líquido.

Balance de Energía Mecánica

Se obtiene en función del régimen de flujo (laminar o turbulento) y del tipo de fluido.

• FLUIDO NEWTONIANO
• FLUIDO NO NEWTONIANO

Modelo de la Ley de la Potencia: Para fluidos que siguen el modelo de Ley de la potencia, se define el NRe como:

Potencia de la Bomba

Potencia teórica y real.

Reología

Reología: Ciencia que estudia el flujo y deformación de la materia. Aplicable en el transporte y desplazamiento de un fluido a lo largo de una tubería, considerando que ocurre cuando se aplica sobre él una fuerza (ó). La influencia de la tensión de cizalla en sólidos y líquidos los clasifica como plásticos, elásticos o fluidos.

De acuerdo a las propiedades que tienen los fluidos, estos son considerados como fluidos cuando fluyen bajo la influencia de la gravedad o al ser impulsados por fuerzas externas no retienen su forma. Así, se puede observar que por la compleja estructura de los alimentos, en cuanto a sus diversos componentes como: proteínas, lípidos, agua, hidratos de carbono, entre otros. Además, de la forma como se encuentren relacionadas cada macromolécula, en cuanto al tipo de enlace: covalente, puente de hidrógeno, o fuerzas de Van der Walls.

Comportamiento Reológico de Fluidos en la Industria Alimentaria

Clasificación:

• Fluido Herschel-Bulkley: pasta de pescado, pasta de pollo.
• Newtoniano: agua, jugo de fruta, leche, miel, aceite vegetal.
• Pseudoplástico: salsa de manzana, puré de plátano, jugo de naranja concentrado.
• Dilatante: algunos tipos de miel, soluciones de almidón de maíz.
• Pasta de tomate: mermeladas concentradas.

Clasificación Reológica de los Alimentos

De acuerdo al comportamiento reológico de los fluidos, es decir, en función del flujo y deformación de la materia, estos se pueden clasificar en: Newtonianos y No Newtonianos.

Fluidos Newtonianos

Los Newtonianos se caracterizan por cumplir la Ley de Newton, es decir, existe una relación lineal entre la tensión de cizalla (ó) y el gradiente de deformación (dv/dy).

Fluidos No Newtonianos

Los fluidos no newtonianos independientes del tiempo fluyen inmediatamente cuando se les aplica un pequeño esfuerzo de cizalla. No existe una relación lineal entre el esfuerzo de cizalla y gradiente de deformación.

Además, tenemos algunos (Fluido de Bingham, Herschel Bulkley) que requieren de una fuerza inicial (ó0) para comenzar a desplazarse. Como no existe una relación lineal entre la tensión de cizalla y gradiente de deformación, su viscosidad es aparente. Bajo el umbral de fluencia el fluido exhibe características de sólido y no tiene influencia la gravedad en una superficie plana. Dicha situación es importante al momento del diseño y desarrollo de productos (mantequilla, quesos untable y yogurt).

Viscosidad Aparente

Se asume que los fluidos no newtonianos cumplen la Ley de viscosidad de Newton, por tanto, se obtiene una viscosidad aparente para cada dv/dt empleado, cuando se traza una recta desde el origen hasta cualquier punto de la curva. Su pendiente será la viscosidad aparente a cada dv/dt.

Los fluidos Pseudoplásticos son aquellos que siguen la Ley de la Potencia, de acuerdo a la forma: Se caracterizan por una disminución de su viscosidad a medida que se aplica el gradiente de deformación y tensión de cizalla. Ej: Salsa de manzana, jugo de naranja concentrado. En cambio, los fluidos dilatantes aumentan la viscosidad aparente a medida que aumenta su gradiente de deformación. Ej: la mantequilla y algunos productos de almidón, algunos tipos de miel.

Pérdida de Carga

Es la pérdida de energía dinámica del fluido debida a la fricción de las partículas del fluido entre sí y contra las paredes de la tubería o aquellas que las contiene. Pueden ser continuas, a lo largo de conductos regulares, o accidental o localizada, debido a circunstancias particulares, como un estrechamiento, un cambio de dirección, o la presencia de un accesorio.

Pérdida total = pérdida regular + pérdida singular

Se determina a partir de la Expresión de Darcy-Weisbach, que se aplica a pérdidas de cargas regulares.

Diagrama de Moody

Es un ábaco bilogarítmico que relaciona al número de Reynolds con la rugosidad relativa, y permite determinar el factor de fricción (f). La rugosidad relativa (ª/D) está en función del material de la cañería y del diámetro.

Pérdidas de Cargas Singulares

Se deben a perturbaciones producidas en la corriente cuando existen cambios en la trayectoria del fluido o dirección que dan origen a turbulencias y desprendimientos de la capa límite, con sus respectivas disipaciones de energía.

Convección

La velocidad de transferencia de calor por convección siempre es proporcional a la diferencia de temperatura entre la superficie y el fluido. Este hecho se modela matemáticamente mediante la Ley de Enfriamiento de Newton:

hc: coef. de TC por convección

A: Área superficie sólido

Tsol: Temperatura pared del sólido

Tf: Temperatura del fluido

Es más rápida la transmisión de calor por convección que por conducción, pero el cálculo es más complicado por el valor de hc. La influencia de las propiedades del fluido, de la superficie y del flujo se cuantifica en el coeficiente de película o coeficiente de transferencia de calor por convección (h). Números adimensionales permiten determinar el valor de (hc).

Números Adimensionales

Número de NUSSELT (Nu): Representa la relación que existe entre el calor transferido por convección a través del fluido y el que se transferiría por conducción.

Número de PRANDTL (Pr): Representa la relación que existe entre la difusividad molecular de la cantidad de movimiento y la difusividad molecular del calor o entre el espesor de la capa límite de velocidad y la capa límite térmica.

Número de REYNOLDS (Re): Representa la relación que existe entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas que actúan sobre un elemento de volumen de un fluido. Es un indicativo del tipo de flujo del fluido, laminar o turbulento.

Número de RAYLEIGH (Ra): Es función del número de Grashof y del número de Prandtl. Su valor es el número de Grashof multiplicado por el número de Prandtl. Ra = Gr * Pr

Intercambiador de Calor

Son equipos donde se verifica un intercambio de calor entre dos fluidos separados por una pared sólida. En un condensador, se tienen dos fluidos y entre ellos una pared, generándose una transferencia de calor. Existen diversos tipos de Intercambiadores de calor, se puede indicar, que la mayoría son tubulares porque ahorran espacios. Como los radios son pequeños las temperaturas serán altas flujos turbulentos mejor transferencia de calor.