Appunti dell'esame di operazioni unitarie della tecnologia alimentare

ESSICCAMENTO IN CORRENTE D'ARIA

l'essiccamento in corrente d'aria fa parte della classe delle tecniche di disidratazione. Con il termine disidratazione intendiamo le diverse operazioni unitarie che permettono la conservazione a lungo termine dei prodotti alimentari mediante la riduzione del contenuto d'acqua. L'eliminazione dell'acqua ne riduce infatti l'attività (aw), impedendo o rallentando la crescita microbica, l'attività enzimatica e le reazioni chimiche di degradazione nel prodotto. La riduzione di peso e volume che deriva dalla disidratazione permette inoltre di ridurre il costo di confezionamento, trasporto e stoccaggio del prodotto alimentare.

La disidratazione trova applicazione nella produzione di prodotti quali:

• vegetali interi o in pezzi (mele, prugne, uva, pomodori, cipolle, ecc.)
• polveri da succhi o puree di prodotti vegetali (arance, pomodori, patate, ecc.)
• pasta secca
• estratti solubili (caffè, tè, ecc.)

orzo, ecc.)

 latte o siero di latte in polvere

 polveri d’uovo

 carni e prodotti ittici in pezzi

CENNI DI PSICROMETRIA

La psicrometria consiste nello studio delle proprietà termodinamiche delle miscele aria-vapore d’acqua, che sono essenziali per la comprensione di alcune operazioni tecnologiche, in particolare il condizionamento dei locali di conservazione e l’essiccamento in corrente d’aria.

COSTITUENTE % IN VOLUME

Azoto 78,08

Ossigeno 20,95

Argon 0,93

Anidride carbonica 0,03

Neon 0,0018

Elio 0,00052

Altri gas 0,00066

L’entalpia dell’aria secca,

Considerando come condizioni di riferimento la pressione atmosferica e la temperatura di 0°C, è data da: Has (kJ/kg) = 1,005 *(°C)

La temperatura del bulbo secco è la temperatura dell'aria misurata con un sensore non modificato.

La temperatura del bulbo umido è la temperatura che assume un termometro quando il suo bulbo è mantenuto umido con una garza bagnata ed è esposto ad una corrente di aria che si muove con una velocità di almeno 3 m/s. In queste condizioni, poiché la pressione di vapore d'acqua è più elevata in corrispondenza del bulbo umido che nell'aria, si produce un'evaporazione d'acqua che raffredda il bulbo, cosicché la temperatura del bulbo umido è inferiore a quella del bulbo secco. (La temperatura del bulbo umido è funzione delle caratteristiche dell'aria)

PROPRIETÀ DEL VAPORE ACQUEO

L'aria atmosferica contiene sempre, in aggiunta ai costituenti

umida è definito come la quantità di calore necessaria per aumentare di 1°C la temperatura di 1 kg di aria secca più il vapore in essa contenuto: Cp = Cpas + Cpv * na = 1,005 + 1,88 na

L'entalpia dell'aria umida è data da: H = Has + Hv = 1,005*ϴ + na (2501,4 + 1.88*ϴ)

Applicando la legge dei gas perfetti alle frazioni di aria secca e vapore d'acqua nell'aria, l'umidità assoluta è determinata dal rapporto delle relative pressioni parziali:

na = l'umidità assoluta dell'aria (kg/kg).

L'umidità relativa dell'aria (UR) è determinata dalla seguente relazione:

UR = (pv / p') * 100

dove pv è la pressione parziale di vapore d'acqua e p' è la pressione di vapore d'acqua nell'aria satura di vapore alla stessa temperatura dell'aria; p' coincide con la pressione di vapore dell'acqua pura riportata nella tabella del vapore.

d'acqua. L'umidità relativa è quindi un indice diretto del grado di saturazione dell'aria; di conseguenza, minore sarà l'umidità relativa, maggiore sarà la potenzialità dell'aria di assumere acqua sotto forma di vapore o, come si suole dire, maggiore sarà il suo potere essiccante. UR sarà massima (100%) quando sarà minima la capacità di assumere nuovo vapore, ossia l'aria contiene la massima quantità di vapore che può trattenere, se aggiungo vapore esso condensa in acqua. Poiché l'umidità relativa dell'aria diminuisce all'aumentare della temperatura, il riscaldamento aumenta il potere essiccante dell'aria.

SATURAZIONE ADIABATICA DELL'ARIA (adiabatica = scambio calore solo aria-acqua)

La saturazione adiabatica, o raffreddamento adiabatico dell'aria, è un fenomeno assimilabile all'essiccamento in corrente

esausta)In queste condizioni, la quantità di calore sensibile ceduta dall'aria all'acqua è pari alla quantità di calore latente utilizzata per l'evaporazione dell'acqua.

Si può anche assumere che l'entalpia dell'aria entrante sia uguale all'entalpia dell'aria uscente: ciò che l'aria perde raffreddandosi è recuperato sotto forma di contenuto termico del vapore d'acqua.

La saturazione adiabatica è quindi assimilabile ad un fenomeno isoentalpico (entalpia dell'aria non cambia).

DIAGRAMMA PSICROMETRICO (DIAGRAMMA DI MOLLIER)

L'equazione di Carrier mette in relazione la temperatura del bulbo umido alla pressione di vapore dell'aria saturata (punto di rugiada) dove pv è la pressione parziale di vapore dell'aria (kPa) alla pressione totale p (kPa), temperatura (°C) e temperatura del bulbo umido (°C). p' è la pressione di vapore d'acqua

Nell'aria satura di vapore allatemperatura del bulbo umido (kPa). La legge di Antoine mette in relazione la temperatura del bulbo secco alla pressione di vapore dell'ariasatura. E' possibile determinare le varie proprietà delle miscele aria secca-vapore d'acqua a pressione atmosfericautilizzando le equazioni e relazioni suddette. Un altro metodo è fare uso del diagramma psicrometrico o diagramma di Mollier, che permette, noti ivalori di due proprietà indipendenti, di determinare rapidamente tutte le altre proprietà dell'aria. Il diagramma riporta:

• la temperatura del bulbo secco in ascissa;
• l'umidità assoluta in ordinata;
• le curve di pari umidità relativa dell'aria, che terminano a sinistra con la curva di saturazione (100% UR) dell'aria;
• le temperature del bulbo umido e del punto di rugiada sulla curva di saturazione;
• l'entalpia dell'aria sulla scala all'estrema sinistra.

Questi valori valgono in condizioni di saturazione dell'aria;

linee oblique che rappresentano condizioni di uguale temperatura del bulbo umido. Sono le linee di raffreddamento adiabatico dell'aria e coincidono con linee di costante entalpia (isoentalpiche);

le curve di pari volume specifico dell'aria.

ESEMPI DI UTILIZZO DEL DIAGRAMMA DI MOLLIER

1. Note la temperatura del bulbo umido (punto A) e la temperatura del bulbo secco (punto B), l'aria avrà le proprietà dell'intersezione (punto C) della linea di raffreddamento adiabatico passante per A con la verticale passante per la temperatura del bulbo secco.

Si consideri dell'aria a pressione atmosferica alla temperatura di 60 °C ed alla temperatura del bulbo umido di 35 °C. Utilizzando il diagramma psicrometrico, determinare l'umidità assoluta, l'umidità relativa e l'entalpia reale.

SOLUZIONE

Dal diagramma psicrometrico:

Umidità assoluta = 0,026 kg

acqua/kg aria secca

Umidità relativa = 20%

Entalpia in condizioni di saturazione = 129 kJ/kg aria secca

Deviazione dell'entalpia = - 1,6 kJ/kg aria secca

Entalpia reale = 129 - 1,6 = 127,4 kJ/kg

2. Note la temperatura del punto di rugiada (punto A) e la temperatura del bulbo secco (punto B), l'aria avrà le proprietà dell'intersezione (punto C) dell'orizzontale che passa per il punto di rugiada con la verticale passante per B.

Si consideri dell'aria a pressione atmosferica alla temperatura di 72 °C ed alla temperatura del punto di rugiada di 38 °C. Utilizzando il diagramma psicrometrico, determinare l'umidità assoluta, l'umidità relativa, la temperatura del bulbo umido e l'entalpia reale?

SOLUZIONE

Dal diagramma psicrometrico:

Umidità assoluta = 0,044 kg acqua/kg aria secca

Umidità relativa = 20%

Temperatura del bulbo umido = 42.8 °C

Entalpia in condizioni di saturazione = 190 kJ/kg aria

Deviazione dell'entalpia = -2,4 kJ/kg aria secca

Entalpi...