Cálculo De Propiedades Termofísicas

CÁLCULO DE PROPIEDADES TÉRMOFISICAS

INTRODUCCION

Los alimentos son sistemas complejos, siendo de origen biológico están sujetos a una gran variabilidad en su composición y estructura (Toledo,1991); sumado a lo anterior existen cambios en la composición que ocurren durante los procesos típicos de la industria alimentaria, tales como, congelación, evaporación, deshidratación, etc; esto hace que se dificulte el conocer su comportamiento y sus propiedades físicas.

Entre las propiedades de alimentos más recurrentes, están las propiedades térmicas, íntimamente ligadas a los procesos térmicos. Las propiedades térmicas involucradas en los distintos procesos térmicos son: conductividad térmica, calor específico y difusividad térmica.

Aunque en la literatura se puede encontrar cierta información experimental sobre las propiedades térmicas de algunos alimentos comunes, la inmensa cantidad de productos alimenticios, sus diferentes composiciones, y las diferentes temperaturas a que se llevan a cabo los procesos, hacen que las posibilidades de encontrar un valor adecuado sean reducidas.

Las propiedades térmicas de los alimentos se definen como:

Calor específico(Cp): Es la medida de la cantidad de energía que acompaña al cambio de una unidad de temperatura por unidad de masa. Sus unidades son (J/kgºC).

Conductividad térmica (k): Es igual al flujo de calor de un área cuando se incrementa la temperatura en una unidad y la distancia en una unidad de longitud. Sus unidades son (W/mºC).

Difusividad térmica (): Es la relación entre la conductividad térmica y el calor específico por su densidad. Sus unidades son (m2/s).

Debido a la necesidad de evaluar estas propiedades, se han propuesto muchas expresiones que permiten predecir las propiedades térmicas basándose en los componentes de los alimentos; entre estas están las ecuaciones de Siebel (1912), Dickerson (1969), y Charm (1978) para determinación del calor específico; Maxwell (1904), Riedel (1949), Earle (1966), Sweat (1974), Harper (1976), Rask(1989), Lind(1991), etc. para la conductividad térmica.

Choi y Okos (1987) estudiaron el efecto de la variación de la composición en las propiedades térmicas llegando a obtener correlaciones para los siguientes componentes: humedad, proteínas, lípidos, carbohidratos, fibras y cenizas. Estas correlaciones están función únicamente de la temperatura a que está expuesto el alimento.

Las correlaciones encontradas para evaluar el calor específico en (J/kg°C), de los distintos componentes son los siguientes:

Cp proteínas = 2008,2 + 1208,9•10-3T – 1312,9•10-6T2

Cp lípidos= 1984,2 + 1473,3•10-3T – 4800,8•10-6T2

Cp carbohidratos = 1548,8 + 1962,5•10-3T – 5939,9•10-6T2

Cp fibra = 1845,9 + 1930,6•10-3T - 4650,9•10-6T2

Cp cenizas = 1092,6 + 1889,6•10-3T – 3681,7•10-6T2

Para el agua sobre la congelación:

Cp agua = 4176,2 – 9,0862•10-5T + 5473,1•10-6T2

donde T es la temperatura del alimento en ºC

Siendo el Cp del alimento:

Cp alimento =  Cpi•Xi

donde Xi = Fracción de componente del alimento

Para la conductividad térmica evaluada en (W/mºC), de los distintos componentes son las siguientes:

k agua = 0,57109 + 0,0017625T – 6,7376•10-6T2

k proteínas = 0,1788 + 0,0011958T - 2,7178•10-6T2

k lípidos = 0,1807- 0,0027604T - 1,7749•10-7T2

k carbohidratos = 0,2014 + 0,0013874T - 4,3312•10-6T2

k fibra = 0,18331+ 0,0012497T – 3,1683•10-6T2

k cenizas = 0,3296 + 0,001401T – 2,9069•10-6T2

La conductividad térmica del alimento se calcula como:

kalimento =  ki • Xvi

Donde Xvi es la fracción en volumen de cada componente del alimento y se determina de la fracción de masa Xi, de la densidad individual (i) y de la densidad del alimento (alimento):

Xvi = (Xi • alimento /i)

Las densidades individuales en (kg/m3) son obtenidas de las ecuaciones siguientes:

 agua = 997,18 + 0,0031439T – 0,0037574T2

 proteínas = 1329,9 – 0,51814T

 lípidos = 925,59 – 0,41757T

 carbohidratos = 1599,1 – 0,31046T

 fibra = 1311,5 – 0,36589T

 cenizas = 2423,8 – 0,28063T

La difusividad térmica de los alimentos, se calcula a partir de la densidad, calor específico y conductividad térmica a través de la fórmula siguiente:

 alimento = kalimento .

CP alimento •  alimento

El cálculo de las propiedades térmicas de los alimentos usando estas correlaciones en forma manual es bastante tedioso y requiere de bastante tiempo, por lo que se requiere del uso de nuevas herramientas que permitan la evaluación de estas propiedades en forma precisa y confiable en un corto tiempo. Si se combinan estas ecuaciones planteadas por Choi y Okos con los recursos computacionales se simplifica enormemente la evaluación de estas propiedades.

En el presente trabajo se plantea un programa que contiene una base de datos basada en la "Tabla de Composición Química de los Alimentos Chilenos" cuyo autor es el Dr. Hermann Schmidt-Hebbel, para un gran número de alimentos. Esta base de datos contiene distintas tablas en las que se agruparon los alimentos de acuerdo al orden que el autor les dio y dentro de estas está cada uno de los alimentos con su nombre y composición porcentual requerida para los cálculos de sus propiedades térmicas.

En las

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