Sommario INTRODUZIONE 1. Capitolo grandezze fisiche UNITà DI MISURA 1

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1 Sommario Capitolo 1 INTRODUZIONE grandezze fisiche UNITà DI MISURA Unità di misura fondamentali Unità derivate Unità supplementari SISTEMI STATO DI UN SISTEMA Proprietà estensive Proprietà intensive DENSITà CONCENTRAZIONE UMIDITà TEMPERATURA PRESSIONE ENTALPIA EQUAZIONE DI STATO E LEGGE DEI GAS PERFETTI DIAGRAMMA DI STATO DELL ACQUA CONSERVAZIONE DELLA MASSA Conservazione della massa in sistemi aperti Conservazione della massa in un sistema chiuso BILANCI MATERIALI TERMODINAMICA LEGGI DELLA TERMODINAMICA Prima legge della termodinamica Seconda legge della termodinamica ENERGIA BILANCI DI ENERGIA BILANCIO DI ENERGIA IN UN SISTEMA CHIUSO Calore 34

2 VI Principi di tecnologia alimentare ISBN Lavoro BILANCIO DI ENERGIA PER UN SISTEMA APERTO Bilancio di energia per sistemi in stato stazionario BILANCIO TOTALE DELL ENERGIA Potenza Area 44 Problemi 45 simboli 47 A Fenomeni fisici fondamentali nella produzione degli alimenti Capitolo 2 TRASPORTO DEI FLUIDI SISTEMI PER IL TRASPORTO DEI LIQUIDI Condotte per gli impianti di produzione Tipi di pompe Proprietà dei liquidi Terminologia usata per il comportamento di un materiale in risposta a uno sforzo Densità Viscosità sistemi di movimentazione per liquidi newtoniani Equazione di continuità Numero di Reynolds Regione di ingresso e flusso completamente sviluppato Profilo di velocità in un liquido che scorre in condizioni di flusso completamente sviluppato Forze dovute all attrito Bilancio delle forze su un elemento DI fluido che scorre in una condotta Equazione di Bernoulli BILANCIO dell energia per FLUIDI IN SCORRIMENTO in condizioni stazionarie Pressione Energia cinetica Energia potenziale Perdita di energia per attrito (perdita di carico) Potenza richiesta alla pompa scelta della pompa e valutazione delle prestazioni Pompe centrifughe Carico o prevalenza Prestazioni di una pompa Curva caratteristica di una pompa 98

3 ISBN Sommario VII Cavitazione (NPSH) Scelta della pompa per il trasporto di un liquido Leggi di affinità Misura del flusso Il tubo di Pitot Il flussimetro a orifizio tarato/a diaframma Il venturimetro Flussimetri a sezione variabile Altri metodi di misura Misura della viscosità Tubo capillare Viscosimetro a rotazione Influenza della temperatura sulla viscosità Caratteristiche di flusso dei fluidi non-newtoniani Proprietà dei fluidi non-newtoniani Profilo di velocità di un fluido pseudoplastico Portata in volume per un fluido pseudoplastico Velocità media per un fluido pseudoplastico Fattore di attrito e numero di Reynolds per un fluido pseudoplastico Calcolo dell energia necessaria per il pompaggio di liquidi non-newtoniani Trasporto dei prodotti alimentari solidi Proprietà dei materiali granulari e delle polveri Flusso degli alimenti granulari 138 PROBLEMI 140 SIMBOLI 143 Capitolo 3 Il trasporto di calore nei processi alimentari IMPIANTI per il riscaldamento e il raffreddamento dei prodotti alimentari Scambiatori di calore a piastre Scambiatori di calore tubolari Scambiatori di calore a superficie raschiata Scambiatore di calore a infusione di vapore Conclusione Proprietà termiche degli alimenti Calore specifico Conducibilità termica Diffusività termica Modalità di trasmissione del calore Trasporto di calore per conduzione Trasporto di calore per convezione Trasporto di calore per irraggiamento 161

4 VIII Principi di tecnologia alimentare ISBN Trasporto di calore in stato stazionario Trasporto di calore per conduzione attraverso una parete piana Trasporto di calore per conduzione attraverso una parete cilindrica Conduzione di calore in sistemi multistrato Stima del coefficiente convettivo di scambio termico Valutazione del coefficiente globale di scambio termico Fouling delle superfici di scambio termico Progettazione degli scambiatori di calore tubolari Metodo dell efficacia-ntu per la progettazione degli scambiatori di calore Progettazione degli scambiatori di calore a piastre Importanza delle caratteristiche di superficie nel trasporto di calore per irraggiamento Trasporto di calore per irraggiamento tra due oggetti TRASPORTO DI CALORE NON STAZIONARIO Importanza della resistenza esterna al trasporto di calore rispetto a quella interna Resistenza interna al trasporto di calore trascurabile (N Bi < 0.1) Analisi di un sistema a parametri concentrati Resistenza finita interna e di superficie al trasporto di calore (0.1 N Bi 40) Resistenza superficiale al trasporto di calore trascurabile (N Bi 40) Oggetti finiti Modalità d uso dei diagrammi temperatura-tempo Uso dei fattori f h e j nel predire la temperatura nel trasporto di calore non stazionario CONDUCIBILITà ELETTRICA DEGLI ALIMENTI RISCALDAMENTO OHMICO RISCALDAMENTO A MICROONDE Meccanismi di riscaldamento a microonde Proprietà dielettriche Conversione dell energia elettromagnetica in calore Profondità di penetrazione delle microonde Forni a microonde Riscaldamento a microonde degli alimenti 241 PROBLEMI 243 simboli 254 Capitolo 4 Trasporto di materia LA DIFFUSIONE Diffusione in condizioni stazionarie di gas (e liquidi) attraverso i solidi Trasporto di materia convettivo Flusso laminare su una lastra piana Moto turbolento su una lastra piana Flusso laminare in una condotta 267

5 ISBN Sommario IX Flusso turbolento in una condotta Trasporto di materia per un flusso sopra oggetti sferici Trasporto di materia in condizioni non stazionarie Diffusione in condizioni non stazionarie Diffusione dei gas 273 PROBLEMI 276 SIMBOLI 276 b Operazioni di conservazione degli alimenti Capitolo 5 Congelamento degli alimenti Sistemi di congelamento Sistemi a contatto indiretto Sistemi a contatto diretto PROPRIETà DEGLI ALIMENTI CONGELATI Densità Conducibilità termica Entalpia Calore specifico apparente Diffusività termica apparente TEMPO DI CONGELAMENTO L equazione di Plank Altri metodi di predizione del tempo di congelamento Il metodo di Pham per la predizione dei tempi di congelamento Predizione del tempo di congelamento di oggetti di forma finita Misurazione sperimentale del tempo di congelamento Fattori che influenzano il tempo di congelamento Velocità di congelamento Tempo di scongelamento LA CONSERVAZIONE DEGLI ALIMENTI CONGELATI Modifiche della qualità degli alimenti congelati durante la conservazione 305 PROBLEMI 308 SIMBOLI 311 Capitolo 6 Processi termici di conservazione Tecnologie di trattamento Trattamenti di pastorizzazione e blanching Trattamenti di sterilizzazione Trattamenti ad alta pressione 318

6 X Principi di tecnologia alimentare ISBN Trattamenti con campi elettrici pulsati Cinetiche di inattivazione microbica Influenza di FATTORI esterni Tempo di morte termica F Probabilità di deterioramento Metodo generale per il calcolo di processo Applicazioni alla pastorizzazione Sterilizzazione Sterilizzazione e confezionamento asettico Processi combinati Metodi matematici Trattamento di prodotti in busta 344 Problemi 346 simboli 349 Capitolo 7 Psicrometria Proprietà dell aria secca Composizione dell aria Volume specifico dell aria secca Calore specifico dell aria secca Entalpia dell aria secca Temperatura del bulbo secco Proprietà del vapore d acqua Volume specifico del vapore d acqua Calore specifico del vapore Entalpia del vapore Proprietà delle miscele aria-vapore Legge di Gibbs-Dalton Temperatura del punto di rugiada Contenuto di umidità Umidità relativa Calore specifico di una miscela aria-vapore Volume specifico Saturazione adiabatica dell aria Temperatura del bulbo umido diagramma psicrometrico Costruzione del diagramma Uso del diagramma psicrometrico per valutare processi complessi di condizionamento dell aria 361 PROBLEMI 366 SIMBOLI 368

7 ISBN Sommario XI Capitolo 8 ESSICCAMENTO FENOMENI FONDAMENTALI DURANTE L ESSICCAMENTO Attività dell acqua Diffusione dell acqua Curve di essiccamento Trasporto di massa e di calore IMPIANTI di essiccamento Essiccatori a vassoi o ad armadio Essiccatori a tunnel Soffiatura Essiccamento a letto fluido Essiccamento spray Liofilizzazione Progettazione DEGLI IMPIANTI di essiccamento Bilanci di massa e di energia Previsione del tempo di essiccamento 383 PROBLEMI 391 SIMBOLI 395 c Operazioni di trasformazione degli alimenti Capitolo 9 EVAPORAZIONE Innalzamento ebullioscopico evaporatori Evaporatori discontinui a bolla Evaporatori a circolazione naturale Evaporatori a film ascendente Evaporatori a film cadente Evaporatori a film ascendente/discendente Evaporatori a circolazione forzata Evaporatori a film agitato Progettazione di un evaporatore a singolo effetto Progettazione di un evaporatore a multiplo effetto Sistemi di compressione del vapore Termocompressione del vapore Compressione meccanica del vapore 416 PROBLEMI 417 SIMBOLI 419

8 XII Principi di tecnologia alimentare ISBN Capitolo 10 Operazioni di separazione 421 Filtrazione 10.1 Equazioni della filtrazione Filtrazione a portata costante Filtrazione a pressione costante Meccanismi di filtrazione Progettazione di un sistema di filtrazione 426 Separazione per membrana 10.4 Elettrodialisi Processi di osmosi inversa Efficienza delle membrane Ultrafiltrazione Concentrazione di polarizzazione Impianti di osmosi inversa e di ultrafiltrazione A piastra e telaio Tubolari Membrane a spirale Membrane e fibra cava 446 Decantazione Velocità di decantazione per sospensioni a bassa concentrazione di solidi Decantazione in sospensioni a elevata concentrazione 450 Centrifugazione Equazioni fondamentali VELOCIà DI DECANTAZIONE CENTRIFUGA Separazione liquido-liquido Separazione solido-gas 455 PROBLEMI 455 SIMBOLI 456 Capitolo 11 Estrazione solido-liquido Fenomenologia Progettazione Cinetiche di estrazione Bilanci materiali attorno a un estrattore Impianti di estrazione Estrattori a immersione Estrattori a percolamento Estrattori misti 482 Problemi 483 SIMBOLI 484

9 ISBN Sommario XIII Capitolo 12 MISCELAZIONE Impianti di miscelazione Miscelatori a elica di tipo marino Miscelatori a pale Miscelatori a turbina Requisiti di potenza dei miscelatori 488 SIMBOLI 491 Capitolo 13 ESTRUSIONE Introduzione PRINCIPI DEL PROCESSO DI ESTRUSIONE IMPIANTI DI ESTRUSIONE Estrusione a freddo Estrusione cottura Estrusori monovite Estrusori bivite PROGETTAZIONE DI UN IMPIANTO DI ESTRUSIONE PROGETTAZIONE DI SISTEMI PIù COMPLESSI 508 PROBLEMI 509 SIMBOLI 509 d CONFEZIONAMENTO Capitolo 14 Il packaging dei prodotti alimentari Introduzione Protezione dell alimento Contenimento del prodotto Comunicazione del prodotto COMODITà d uso del prodotto (convenience) Trasferimento di massa nei materiali di imballaggio Permeabilità dei materiali di imballaggio a gas fissi Innovazioni nell imballaggio alimentare Imballaggio passivo Imballaggio attivo Imballaggio intelligente Imballaggio alimentare e shelf life del prodotto 522

10 XIV Principi di tecnologia alimentare ISBN Basi scientifiche per la valutazione della shelf life 523 PROBLEMI 528 SIMBOLI 528 E Servizi ausiliari e controllo di processo Capitolo 15 Utilizzo dell energia negli impianti La generazione del vapore Sistemi per la generazione del vapore Aspetti termodinamici legati al cambiamento di fase Le tavole del vapore Utilizzazione del vapore UTILIZZAZIONE DEL COMBUSTIBILE Sistemi Analisi del bilancio di massa ed energia Efficienze dei bruciatori Utilizzo dell energia elettrica Grandezze elettriche e unità di misura La legge di Ohm Circuiti elettrici I motori elettrici Sistemi di controllo elettrico Illuminazione elettrica 556 PROBLEMI 558 SIMBOLI 561 Capitolo 16 Refrigerazione La selezione di un refrigerante Componenti del sistema di refrigerazione L evaporatore Il compressore Il condensatore La valvola di espansione Il diagramma pressione-entalpia Tabelle pressione-entalpia Impiego di procedure informatiche per la determinazione delle proprietà termodinamiche dei refrigeranti Espressioni matematiche utili per l analisi della refrigerazione a compressione di vapore La potenzialità frigorifera 580

11 ISBN Sommario XV Compressore Condensatore Evaporatore Coefficiente di prestazione Portata del refrigerante Utilizzo dei sistemi multistadio Sistemi per la rimozione di flash gas 590 PROBLEMI 594 SIMBOLI 596 Capitolo 17 principi di controllo di processo CONTROLLI DI PROCESSO NELL INDUSTRIA ALIMENTARE Variabili di processo e indicatori di prestazione Segnali di ingresso e uscita per il controllo di processi Progettazione di un sistema di controllo SENSORI Temperatura Livello di un liquido in un serbatoio Sensori di pressione Sensori di portata Glossario dei termini importanti nell acquisizione dei dati RISPOSTE DINAMICHE DEI SENSORI 610 SIMBOLI 613 f Sostenibilità delle risorse Capitolo 18 SOSTENIBILITÀ AMBIENTALE ENERGIA, ACQUA E AMBIENTE Metodo Life Cycle Assessment (LCA) Applicazioni alla filiera agroalimentare Indicatori di sostenibilità 625 SIMBOLI 627 Capitolo 19 Aspetti economici e tecnici degli impianti La definizione di impianto Classificazione degli impianti Gli impianti di servizio La funzione di produzione 631

12 XVI Principi di tecnologia alimentare ISBN Parametri economici per il dimensionamento degli impianti Costi fissi e costi variabili Costi totali, costo medio e costo marginale Diagramma di reddittività Il margine di contribuzione Il dimensionamento economico degli impianti Affidabilità e disponibilità degli impianti Affidabilità (R) Disponibilità (A) Interventi per il miglioramento dell affidabilità o della disponibilità economia di scala Unità di riserva La centralizzazione del servizio DIMENsionamento degli accumulatori-polmone Integrazione grafica 647 PROBLEMI 649 SIMBOLI 651 APPENDICI 653 A.1 FATTORI DI CONVERSIONE 653 A.2 proprietà fisiche degli alimenti 656 A.3 PROPRIETÀ FISICHE DI MATERIALI NON ALIMENTARI 666 A.4 PROPRIETÀ FISICHE DI ACQUA E ARIA 671 A.5 DIAGRAMMI PSICROMETRICI 676 A.6 DIAGRAMMI E DATI PRESSIONE-ENTALPIA 678 A.7 simboli UTILIZZATI PER LA SCHEMATIZZAZIONE DI IMPIANTI E ATTREZZATURE 692 A.8 VARIE 697 A.9 Analisi dimensionale 701 A.9.1 Teorema π di Buckingham 701 BIBLIOGRAFIA 705 indice analitico 721