En la industria de alimentos se emplea el sistema de transporte de fluidos como una operación unitaria que permite procesar una materia prima desde el origen hasta un producto terminado. Se entiende como un sistema de fluido aquel que consta de cañerías, recipientes (estanques), y accesorios varios.

Aplicaciones del Transporte de Fluidos en la Industria Alimentaria

Algunas aplicaciones de transporte de fluido en la Industria de alimentos son:

1. Industria lechera (leche, manjar, mantequilla, etc.)
2. Industria cárnica (embutidos, pastas)
3. Productos concentrados (salsas, pastas)
4. Transporte de Riles (desechos de plantas de tratamientos o procesos habituales)
5. Abastecimiento de agua para sistemas de limpieza y sanitización

Principalmente, se basa en el desplazamiento de un fluido (líquido o gaseoso) desde un estanque a otro, ya sea para impulsar un fluido por medio de una bomba o para descargar un fluido por medio de la fuerza de gravedad.

Requerimientos de los Sistemas de Transporte

• Tuberías
• Estanques
• Bombas
• Accesorios (válvulas, codos, expansiones, termómetros y presostatos)

Propiedades de los Fluidos

Densidad

Es un término muy empleado en la industria de alimentos para determinar la composición de soluciones y alimentos.

• Densidad absoluta: Se define siempre en unidades de masa divididas por las unidades de volúmenes correspondientes (g/cm³, Lb/pie³, ton/m³).
• Densidad relativa o «specific gravity»: Conocido como «peso específico» (dr). En una escala relativa de densidades se expresa la densidad de una sustancia señalando cuantas veces es más densa o menos densa que otra sustancia tomada como referencia. En líquidos se emplea el agua a 4°C (1 g/cm³, 62.4 lb/pie³) y en gases se toma como referencia el aire (1.293 g/Lt).
• Peso específico: Es el peso (fuerza) que corresponde a la unidad de volumen (Un. absolutas dinas/cm³).

Viscosidad

Entendiendo que la viscosidad es la medida de fricción de un fluido, debido (desde un punto de vista físico) al efecto combinado de dos causas:

1. Por la cohesión entre moléculas
2. Por el intercambio de cantidad de movimiento entre las capas de fluido que resisten a la tendencia de fluir

Esta relación se hace aparente cuando una capa de fluido se mueve con relación a otra capa.

Dicha situación explica:

• Viscosidad absoluta o dinámica
• Viscosidad aparente
• Viscosidad relativa: Valor adimensional que resulta del cuociente entre µ del fluido y la viscosidad del agua a 20°C (µ =1 cP)
• Viscosidad cinemática: Será la relación entre la viscosidad absoluta y la densidad del fluido.

Unidades de Viscosidad

• Viscosidad absoluta: Poise (g/cm s), (Pa*s), Centipoise (cP) es 100 veces menor que el poise. Así la viscosidad absoluta del agua a 20°C es de 1 cP=0.01 poise=0.01 dinas *s/cm².
• Viscosidad cinemática: Stoke (cm²/s), centistoke.

Presión

La presión ejercida por un sistema es la fuerza aplicada sobre el área de las paredes del sistema. Se puede expresar también como altura de una columna líquida: pies de agua, pulgada de agua, cm de mercurio, mm de Hg. Esto se conoce como carga de presión.

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.

• Presión atmosférica estándar: Es la presión producida por una columna de 760 mm de mercurio.
• 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.

Clasificación de los Fluidos

Los fluidos pueden ser líquidos o gaseosos, desde el punto de vista del flujo de fluidos, se clasifican:

1. Compresibles: La densidad varía directamente con la presión.
2. Incompresibles: Es aquel cuyo volumen específico (o densidad) es independiente de la presión. Se adaptan al recipiente que los contiene.

La forma de los fluidos depende de varios parámetros que influyen: viscosidad del fluido, densidad del fluido, velocidad del fluido, dimensiones y forma de la tubería, asperezas de las superficies de contacto. Por tanto, el fluido se puede caracterizar como Laminar y turbulento, en función del número de Reynolds.

Número de Reynolds

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. El valor del número de Reynolds para el cual el flujo se vuelve turbulento es el número crítico de Reynolds.

• Para tubos:
  • Si Re < 2100 el flujo es laminar.
  • Si 2100 < Re < 4000 el flujo es de transición.
  • Si Re > 4000 el flujo es turbulento.

Flujo Laminar

Las líneas de corriente de un flujo son prácticamente paralelas unas de otras. El perfil de velocidades en el interior es parabólico. La velocidad máxima se encuentra en el centro geométrico y una velocidad nula en las paredes del tubo.

Flujo Turbulento

Está caracterizado porque las partículas del fluido se mueven con un movimiento al azar, agitado, con entrecruzamiento de las líneas de corriente. A medida que aumenta la velocidad de flujo, y se mantiene invariable las condiciones de flujo másico y volumétrico, comienzan a producirse turbulencias y agitación de las líneas de corriente.

Reología

Se define como la ciencia que estudia el flujo y deformación de la materia. Es 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 (σ). La influencia de la tensión de cizalla en sólidos y líquidos los clasifica como plásticos, elásticos o fluidos.

1. 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.
2. Por ejemplo aquellos productos que en ciertas condiciones de temperatura se encuentran como sólidos o líquidos, como: helados de crema y grasas.
3. Además, tenemos otros alimentos considerados como dispersiones o suspensiones de sólidos en medios líquidos, como la mayonesa W/O y crema O/W (~35% MG).
4. Otros pueden ser salsas de manzana, ketchups, alimentos infantiles, sopas y postres.

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. Se puede indicar que los fluidos se pueden clasificar en Newtoniano y No-Newtoniano.

De acuerdo al comportamiento reológico de los fluidos, es decir, en función del flujo y deformación de la materia, estos se pueden clasificar en:

1. Newtonianos
2. No Newtonianos

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

Características de 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 (σ₀) para comenzar a desplazarse.
• Como no existe una relación lineal entre la tensión de cizalla y gradiente de deformación, su viscosidad es aparente.

Tipos de Fluidos No Newtonianos

• Fluidos Pseudoplásticos: Son aquellos que siguen la Ley de la Potencia. Se caracterizan por una disminución de su viscosidad a medida que se aplica el gradiente de deformación y tensión de cizalla. Ejemplo: Salsa de manzana, jugo de naranja concentrado.
• Fluidos Dilatantes: Aumentan la viscosidad aparente a medida que aumenta su gradiente de deformación. Ejemplo: la mantequilla y algunos productos de almidón, algunos tipos de miel.
• Fluidos Herschel Bulkley y Plástico de Bingham: Requieren de un umbral de fluencia (σ₀) mínimo para impulsar el flujo. Bajo el umbral de fluencia exhibe características de sólidos. Por ejemplo: Pasta de tomate, mermeladas concentradas.

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.

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.