FLUIDO DE CALOR COEFICIENTE DE PARTÍCULAS DE TRANSFERENCIA DE DETERMINACIÓN DE HETEROGÉNEA ALIMENTOS: UNA REVISIÓN

G. MAESMANS, M. HENDRICKX,' S. DeCORDT, A. FRANSIS and P. TOBBACK Laboratory of Food Technology Faculty of Agricultural Sciences Katholieke Universiteit Leuven Kardinaal

Mercierlaan 92 03001 Leuven Belgium

Aceptado para publicación 10 de febrero 1992

RESUMEN

La importancia del coeficiente de fluido a partícula de transferencia de calor por convección (..... en el tratamiento térmico de los alimentos heterogéneos, es decir, los alimentos compuestos por un líquido (salmuera, salsa) y las partículas, se hizo hincapié en esta revisión. Métodos para determinar. ... y los problemas encontrados en su aplicación se discuten. Una visión general de los enfoques experimentales para cuantificar este parámetro se da para el procesamiento de alimentos heterogéneos, tanto en conservas tradicionales y en el procesamiento aséptico. La amplia gama de determinada previamente .... sugiere confiable métodos deben desarrollarse y extensos estudios llevaron a cabo para determinar el coeficiente de transferencia de calor al fluido a partícula sin ambigüedad en diferentes sistemas de procesamiento bajo una variedad de condiciones de procesamiento.

INTRODUCCIÓN

Modelación matemática constituye una importante contribución al diseño, optimización y validación de procesamiento térmico de alimentos (Clark 1978). En condiciones que no son de fácil acceso para la experimentación física, tales como el calentamiento de alimentos heterogéneos en autoclaves o sistemas asépticos que gira el procesamiento, los modelos son de suma importancia para reducir el número y costo de los experimentos necesarios para optimizar la seguridad y la calidad del producto. Sin embargo, un modelo teórico adecuado sólo puede aplicarse correctamente si los parámetros exactos de entrada físicas están disponibles. Uno de los mayores desafíos a los tecnólogos de alimentos hoy en día es la determinación de estos parámetros para alimentos líquidos que contienen partículas. Especialmente la escasa información en la literatura abierta en fenómenos de flujo de partículas de líquido, por un lado (Sastry y Zuritz 1987; Rao y Anantheswaran 1988) y los valores para el coeficiente de convección de fluidos a partícula de transferencia de calor (HFP) en el otro lado (Chandarana y Gavin 1989a) están restringiendo la aplicabilidad de los modelos numéricos.

En la actualidad, el diseño de los procesos térmicos para alimentos enlatados heterogéneos requiere datos de penetración de calor. Cuando las tasas de transferencia de calor exactas no se pueden reunir con facilidad, por ejemplo, para los alimentos líquidos que contienen partículas calentadas por convección forzada en retortas rotativas, la incertidumbre de la entrega de un tratamiento térmico adecuado a las partículas se responde mediante la aplicación de factores-de-seguridad (Pflug 1987) a los procesos que han demostrado su eficacia en condiciones más conservadores. Los modelos que se pueden utilizar con la superficie finita y variable de los coeficientes de transferencia de calor para optimizar los productos tratados térmicamente bajo estas condiciones de procesamiento son escasos (Tucker y Holdsworth 1991) porque la transferencia de calor por convección es gobernada por el movimiento del fluido al lado de las diferencias de temperatura, siendo mucho más difícil de describir que la calefacción de conducción (ev. con resistencia despreciable de calor de superficie). También, las propiedades físicas y

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térmicas de alimentos pueden ser función de la posición y el tiempo. Por lo tanto, se ha convertido en habitual para estudiar la transferencia convectiva de calor al (la parte líquida de) alimentos heterogéneos en términos de parámetros de penetración de calor (fh, j) o grupos adimensionales (Anantheswaran y Rao 1985a, b). Sin embargo, el coeficiente de transferencia de calor al fluido a partícula, como tal, se prefiere a menudo como parámetro de entrada esencial en los modelos que describen en el envase procesamiento térmico de alimentos heterogéneos (Rumsey 1984). Validación del, proceso optimizado diseñado se puede hacer usando técnicas inoculados paquete (Yawger 1.978) o unidades biológicas indicadoras (Pflug af ef., 1980).

Recientemente desarrollado tecnologías tales como el procesamiento aséptico de alimentos líquidos que contienen partículas en intercambiadores de calor tubulares, raspada intercambiadores de superficie de calor (SHE) (Taeymans et al. 1985), calentadores OHIC (Skudder 1988) o sistemas en los líquidos y sólidos se calientan por separado (Hersom y Shore 1981; Hermans 1988; Sawada y Merson 1986), tienen que hacer frente a problemas similares. Aquí también, la temperatura del centro de la partícula no puede ser controlada experimentalmente usando técnicas convencionales (termopares) sin perturbar su comportamiento de flujo dinámico real. Tales procesos asépticos están diseñados con la suposición conservadora de que la partícula se mueve sólo al mismo tiempo y con la misma velocidad que el líquido (Dignan ef ul. 1.989). Aunque los tratamientos térmicos que determine en estas condiciones va a satisfacer su objetivo principal y primordial, es decir, producir una retención microbiológicamente segura la calidad del producto, el producto puede ser inaceptablemente baja. Más de Esterilización de líquidos y partículas sólo pueden ser minimizados mediante la determinación de un proceso térmico adecuado a modo de prueba y error, que ilustra la desesperada necesidad de un enfoque más fundamental, que describe la partícula-a-fluida relación de velocidad, incluidos los estudios de distribuciones de tiempo de residencia, y la determinación de los coeficientes de transferencia de calor de líquido a las partículas. Por lo tanto, se necesitará un mínimo de pruebas microbiológicas (Gaze et ul., 1990) para validar la idoneidad del proceso propuesto.

Para predecir los datos de penetración de calor, para entender completamente y describir matemáticamente los mecanismos de transferencia de calor, el conocimiento del coeficiente de transferencia de calor por convección de fluidos a partícula es esencial (Denniston et al. 1987). Sin embargo, debido a la imposibilidad práctica de controlar el historial de temperatura variable en el tiempo de una partícula que se mueve en un líquido que fluye, hf, es una de las importantes lagunas en nuestro conocimiento sobre la transferencia de calor. Los datos limitados y el rango de coeficientes de transferencia de calor de líquido a partículas previamente determinado (cp. Influ) sugiere que más trabajo debe llevarse a cabo para desarrollar un método fiable para hf, determinación (McKenna et. D 1990). Esta revisión describe el estado actual de la técnica en el coeficiente de transferencia de calor por convección del fluido a partícula en relación con el tratamiento térmico de los alimentos en partículas.

DEFINICIÓN DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR COEFICIENTE DE FLUIDO-TO-PARTÍCULAS

La velocidad de calentamiento de una partícula en cualquier alimento heterogénea térmicamente procesado es función de una capa límite, que rodea la partícula, lo que provoca un "retraso térmico" entre la temperatura superficial de las partículas y la temperatura del fluido de calentamiento. La manera más fundamental cuantificar esta capa límite es expresándola como el "convectivo de calor Coeficiente-Fluid a partícula de transferencia" (hf,). hf, representa el factor de proporcionalidad entre el calor transferido por convección a un cuerpo sumergido en un (fluye) de

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líquido y la diferencia de temperatura entre la superficie de la partícula y el líquido de inmersión, como se da por que es la definición de la ecuación (ley de enfriamiento de Newton).

Dónde

q = flujo de calor (W)

HFP = coeficiente de transferencia de calor del fluido a partícula (WIm2C)

A = área de transferencia de calor (m2)

Tps = temperatura de la superficie de partículas (C)

Tf = temperatura del medio de calentamiento (C)

Cuando se produce la transferencia de calor durante el flujo sumergido: el flujo depende de la geometría del cuerpo, su posición (frontal, lateral, trasera) (Burfoot y James 1988), la proximidad de otros órganos (Gunn y Narayanan 1986), fluyen propiedades de tarifas y de fluidos . Esto implica THT el coeficiente de transferencia de calor variará a lo largo del cuerpo (Geankoplis 1.978). Bird et d. (1960) destacan que el área de transferencia y la diferencia de temperatura deben estar claramente descritos antes HFP es definido de manera inequívoca. Muy a menudo, esto no es sencillo, ya que incluso la microestructura de la superficie determina la transferencia de calor (Achenbach 1976). La magnitud de hf, depende principalmente de la partícula a fluido velocidad relativa y superficie de la partícula relación a volumen (Chandarana ef d. 1988). Todas las propiedades que influyen en estos factores (geometría del sistema, la estructura de la superficie, la diferencia de temperatura, la reología del fluido, velocidad de flujo) deben tenerse en cuenta al determinar hf,.

PROCEDIMIENTOS EXPERIMENTALES PARA DETERMINAR Hm

El coeficiente de transferencia de fluido a partícula de calor por convección tradicionalmente se determina a partir de mediciones físicas de la respuesta de la temperatura de la partícula en las condiciones iniciales y de contorno bien caracterizadas. Los termopares se usan para controlar los datos de tiempo-temperatura de la partícula y fluido de calentamiento. En los sistemas de procesamiento de fd mencionados anteriormente (retortas rotativas, instalaciones de procesamiento aséptico), no se espera que la porción de partículas de los alimentos heterogéneos para ser estacionario en el líquido en movimiento, debido a la centrífuga, la gravedad, la fricción y fuerzas de flotación cuando se procesa en un (rotación) latas (Deniston m d 1.987.) y para arrastrar, las fuerzas de flotabilidad, ascensor Magnus y Saffman elevación bajo condiciones de flujo dinámico (procesamiento aséptico; Dutta y Sastry 199Oa). Un termopar unido a la partícula restringirá su movimiento libre, haciendo interpretaciones erróneas de medición de temperatura que conducirán, a su vez, a las desviaciones del coeficiente de transferencia de calor calculado de su valor real. Recientemente, algunos intentos se mencionan en la literatura por el cual HFP de se pudo determinar sin medir directamente la temperatura de las partículas, dejando el patrón de movimiento de las partículas del fluido imperturbable. Una visión general de las metodologías utilizadas para determinar HFP se da aquí. Debido a las analogías en el tratamiento matemático de hf, la determinación en alimentos líquidos enlatados que contienen partículas y alimentos

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heterogéneos asépticamente procesados, ambos sistemas de procesamiento de alimentos se toman en consideración. En las tablas 1-5, la mayor parte de los valores experimentales - por nuestro conocimiento - de hf, publicado, se dan con su método de determinación.

Hf, Determinación de Medidas de temperatura de partículas directo

El coeficiente de transferencia de calor convectivo a los fluidos a partícula tiene que ser determinada mediante la aplicación de soluciones de las ecuaciones diferenciales de partículas, que describe la transferencia de calor de un fluido a una partícula. Datos de entrada experimentales necesarios para este análisis son las mediciones de temperatura variables en el tiempo, tanto el fluido de partículas y calefacción. Aunque la ubicación más obvia para medir la temperatura de las partículas sería la superficie de la partícula (sugerido por la Ec. 1. l), muy a menudo termopares están incrustados en una ubicación bien definida en la partícula. Predicción de la temperatura de la superficie y el flujo de calor se lleva a cabo a continuación, mediante la inversión de la temperatura medida por una sonda situada interior a la superficie del material sólido ("problema inverso"; Chen y Thomsen 1975). La localización exacta de la punta del sensor termopar incidido en el alimento o modelo de partículas es más conveniente después de la etapa de calentamiento. Los grandes errores que se pueden esperar de una mala colocación del termopar (Deniston et al. 1987) se evitan, el proceso de estado de la superficie y el flujo adyacente a la misma es menos perturbada.

La distribución de temperatura en una partícula esférica se describe por la ecuación de conducción de calor como

para la condición inicial

y la condición de contorno variable

o su equivalente

indicando que el calor transferido a través de la superficie de la partícula se acumula en la partícula. Uniforme de partícula inicial y la temperatura del fluido, el fluido constante y las propiedades físicas y térmicas de partículas y un coeficiente de transferencia de calor constante finita se asumen a través de estas ecuaciones.

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