ANALIZA METODELOR SI SISTEMELOR DE CONGELARE A CĂPSUNILOR PRIN SIMULARE NUMERICĂ

Transcription

1 ANALIZA METODELOR SI SISTEMELOR DE CONGELARE A CĂPSUNILOR PRIN SIMULARE NUMERICĂ Adrian-Gabriel GHIAUS Universitatea Tehnică de Constructii Bucuresti, ghiaus@instalatii.utcb.ro Catalina VASILESCU Universitatea Tehnică de Constructii Bucuresti, catalina.vasilescu@u-nite.ro Abstract: Providing a healthy diet of the population requires a large consumption of fresh fruit and vegetables throughout the year. Seasonal and perishable nature of these and especially of the strawberries, make them difficult to commercialize outside the harvest period. For the out of season consumption conservation methods and techniques are used by which as many of the qualities of fresh product are kept. Among the commonly methods used for the strawberries are cooling and freezing. This work analyses the behavior of the strawberries from thermal point of view in the cooling process and the achievement mode of the process according to the technology systems used. Cooling is a complex process in which heat is transmitted inside the product to its surface by conduction, and further, depending on the system adopted is removed by one of the three fundamental ways: conduction, convection or radiation or a combination of these. The evolution of temperature field inside the product is predicted for different operating conditions by numerical simulation using the software package COMSOL Multiphysics based on finite element method. The results are presented as diagrams in which it is shown the evolution of temperature in time for the characteristic points of the domain analyzed and as distribution of temperature in different sections corresponding to the process evolution. The analysis and the interpretation of the results lead to the functional parameters optimization and the choice of the cooling system to obtain high quality cooled product. 1. Introducere In ultima perioada, cererea de fructe proaspete, sanatoase si de buna calitate a crescut. Capsunile sunt o bogata sursa de fibre, iod, potasiu, mangan, vitamina C, B5, B6, K, magneziu si cupru si fac parte din categoria produselor alimentare extrem de perisabile. Asigurarea unei alimentații sănătoase a populației impune un consum cât mai mare de fructe ți legume în stare proaspătă pe toată perioada anului. Caracterul sezonier ți perisabil al acestora ți în mod special al căpțunilor, face dificilă comercializarea lor înafara perioadei de recoltare. Pentru consumul extrasezonier se apelează la tehnici ți metode de conservare prin care să se mențină cât mai multe dintre calitățile produsului proaspăt. Printre metodele frecvent utilizate în cazul căpțunilor se numără refrigerarea ți congelarea. O metoda de conservare a capsunilor in vederea pastrarii calitatilor organoleptice pentru o perioada mai mare de timp este congelarea. Transferul de caldura la nivelul produselor congelate este un proces nestationar in cadrul caruia toti parametrii termici sunt variabili in timp, pe toata durata procesului. Lucrarea de față analizează comportamentul din punct de vedere termic al căpțunilor în procesul de răcire ți modul de realizare al procesului în funcție de sistemele tehnologice utilizate. Răcirea reprezintă un proces complex în care căldura se transmite din interiorul produsului către suprafața acestuia prin conducție, ți mai departe, în funcție de sistemul adoptat, este eliminată printr-unul din cele trei moduri fundamentale: conducție, convecție

2 sau radiație sau o combinație dintre acestea. S-a urmărit evoluția câmpului de temperaturi din interiorul produsului în diferite condiții de operare prin simulare numerică cu ajutorul pachetului de programe COMSOL Multiphysics bazat pe metoda elementelor finite. Scopul acestei lucrari este studiul evolutiei temperaturii in cadru congelarii capsunilor pentru determinarea solutiilor de imbunatatire a procesului in vederea cresterii calitatii produsului, reducerii pierderilor nutritive si a maririi eficientei echipamentului frigorific. Rezultalele sunt prezentate sub formă de diagrame în care se prezintă evoluția temperaturii în timp pentru punctele caracteristice ale domeniului analizat ți sub formă de distribuție a temperaturilor în diferite secțiuni corespunzătoare evoluției procesului. Analiza ți interpretarea rezultatelor conduc la optimizarea parametrilor funcționali ți la alegerea sistemului de răcire în vederea obținerii unui produs răcit de calitate. 2. Modelarea matematica Pentru calculul distributiei de temperatura in interiorul produsului se utilizeaza ecuatia diferentiala a conductiei in regim nestationar fara izvoare de caldura: t λ = 2 t τ ρcp unde t este temperatura, τ este timpul, λ este conductivitatea termica, ρ este densitatea, iar c p este caldura specifica. Solutia acestei ecuatii diferentiale este gasita cu ajutorul metodei elementelor finite. Transmiterea caldurii de la suprafata produsului catre aerul din camera de racire se realizeaza prin convectie libera sau fortata si se bazeaza pe legea lui Newton: q& =αcv( tp tf ) unde q& este fluxul termic, α cv este coeficientul de convectie, t p este temperatura suprafetei produsului iar t f este temperatura aerului de racire. In cazul in care avem aport de racire prin radiatie, fluxul termic suplimentar se calculeaza pe baza legii lui Stefan-Boltzmann: q& 12 = εptσoϕptsp( Tp Tt) unde ε pt reprezinta emisivitatea reciproca dintre produs si tava, σ o este constanta lui Stefan=Boltzmann, ϕ pt factorul de forma iar T p si T t temperaturile absolute ale produsului si tavii. 3. Descrierea modelului Initial produsul (capsunile) se afla la temperatura de 20 C. Ele se introduc intr-o camera de racire in care temperatura aerului este mentinuta constant la valoarea de 0 C cu ajutorul unui agent frigorific care vaporizeaza la nivelul suprafetelor tavilor pentru care temperatura se considera egala cu -3 C. Procesul de racire are loc in regim nestationar. Suprafata produsului este racita, apare un gradient de temperatura care genereaza un flux termic dinspre interior spre exterior iar produsul se raceste progresiv. In interiorul produsul caldura este transmisa prin conductie, dupa care de la suprafata aceasta poate fi eliminata, in functie de sistemul de racire ales, prin convectie libera sau fortata cuplata cu conductie sau/si radiatie.

3 Se presupune ca produsul este omogen, iar proprietatile termofizice sunt constante avand urmatoarele valori: conductivitatea termica λ = 1,1 W/m K, densitateaρ = 800 kg/m 3 si caldura specifica c p = 4000 J/kg K [1]. In acest studiu, transferul de umiditate (uscarea produsului) care apare simultan in timpul procesului de racire s-a considerat neglijabil si nu a fost luat in calcul. 4. Simularea numerica Domeniu a fost discretizat in 521 elemente de forma triunghiulara prin generarea unei retele de noduri de marime medie (Figura 1). Numarul de grade de libertate rezultat este de aproximativ Procesul de racire, avand in medie o durata de 4 ore, a fost simulat in aproximativ o secunda pe un calculator Core 2 Duo 2.26GHz cu 4.00 GB RAM. Figura 1: Discretizarea in elemente finite triunghiulare In functie de modul de realizare a cedarii caldurii de la suprafata produsului catre mediul de racire s-au simulat si analizat urmatoarele cazuri: Cazul I: Racire prin convectie libera Se considera produsul aseazat pe un suport dintr-un material bun izolator termic astfel incat nu exista transfer de caldura pe suprafata inferioara. Racirea suprafetei are loc prin convectie libera catre aerul aflat la temperatura de 0 C. Coeficientul de convectie s-a presupus egal 5 W/m 2 K. Cazul II: Racire prin convectie fortata Produsul este racit de un curent orizontal de aer care traverseaza camera de racire. Cresterea vitezei aerului determina cresterea coeficientului de convectie la valoarea de 9 W/m 2 K. Cazul III: Racire prin conductie si convectie libera Produsul este racit de aerul din camera de racire si suplimentar prin intermediul suportului considerat la temperatura agentului de racire -3 C. Cazul IV: Racire prin convectie libera si radiatie Produsul este racit de aerul din camera de racire si de un panou radiant aflat deasupra partii superioara. Cazul V: Racire prin conductie, convectie libera si radiatie Produsul este racit atat de aerul din camera de racire, cat si prin contact direct cu tava pe care este asezat dar si prin radiatie de la tava superioara. Cazul VI: Racire prin conductie, convectie fortata si radiatie Produsul este racit de un curent de aer din camera de racire, prin contact direct cu tava pe care este asezat si prin radiatie catre tava superioara.

4 5. Rezultate Figurile 2-7 prezinta gradul de racire dat de distribuția temperaturii in interiorul produsului la un anumit moment caracteristic sistemului de racire ales pentru fiecare caz analizat. Din Figura 2 si 3 se observa ca la racirea prin convectie fortata, dupa acelasi interval de timp, se obtine o racire mai mare, temperatura medie fiind mai scazuta cu aproximativ un grad decat in cazul racirii prin convectie libera. Figura 2: Distributia temperaturii in interiorul produsului in cazul racirii prin convectie libera dupa 4h10min Figura 3: Distributia temperaturii in interiorul produsului in cazul racirii prin convectie fortata dupa 4h10min Figura 4 arata influenta racirii conductive prin asezarea directa a produsului pe tava rece care determina obtinerea unei temperaturii mai scazute a produsului intr-un timp mult mai scurt. Folosirea racirii prin convectie libera si radiatie determina scaderea duratei de proces cu 20% fata de cazul in care s-ar adopta numai convectia libera (Figura 5). Figura 4: Distributia temperaturii in interiorul produsului in cazul racirii prin conductie si convectie libera dupa 1h40min Figura 5: Distributia temperaturii in interiorul produsului in cazul racirii prin convectie libera si radiatie dupa 3h20min

5 Figura 6: Distributia temperaturii in interiorul produsului in cazul racirii prin conductie, convectie libera si radiatie dupa 1h Figura 7: Distributia temperaturii in interiorul produsului in cazul racirii prin conductie, convectie fortata si radiatie dupa 41min Figurile 8-13 prezinta evoluția în timp a temperaturii in punctul cel mai de sus al produsului aflat pe suprafata si in mijlocul produsului. Figura 8: Variatia temperaturii in cazul racirii prin convectie libera Figura 9: Variatia temperaturii in cazul racirii prin convectie fortata Figura 10: Variatia temperaturii in cazul racirii prin conductie si convectie libera Figura 11: Variatia temperaturii in cazul racirii prin convectie libera si radiatie

6 Figura 10 arata ca pe toata perioada racirii, temperatura in interiorul produsului ramane mai scazuta decat temperatura din punctul superior. Acest lucru este datorat influentei racirii produsului prin contactul direct cu tava rece. Figura 12: Variatia temperaturii in cazul racirii prin conductie, convectie libera si radiatie Figura 13: Variatia temperaturii in cazul racirii prin conductie, convectie fortata si radiatie Se poate observa din Figura 12 si 13 ca racirea prin combinarea celor trei mecanisme de transfer de caldura: conductie, convectie si radiatie conduce la o reducere semnificativa a timpului de racire. Influenta cea mai mare o are racirea prin contact. 6. Concluzii In acest articol s-a studiat influenta diferitelor mecanisme de transfer de caldura: conductie, convectie si radiatie dezvoltand un model pentru procesul de racire a unui produs omogen cu forma neregulata folosind modulul Heat Transfer din programul COMSOL Multiphysics 3.5. Analiza ți interpretarea rezultatelor conduc la optimizarea parametrilor funcționali ți la alegerea sistemului de răcire în vederea obținerii unui produs răcit de calitate. 6. Bibliografie [1] ASHRAE, Refrigeration 2006 [2] Delgado A.E., Rubiolo A.C., Microstructural changes in strawberry after freezing and thawing processes, Lebensm.-Wiss. u.-technol. 38, 2005, [3] Dincer I., Refrigeration Systems and Applications, Wiley, 2003 [4] Ghiaus A.-G., Transfer de caldura, Editura Conspress, Bucuresti, 2003 [5] Lienhard IV J.H., Lienhard V J.H., A heat transfer textbook third edition, Phlogiston Press, Cambridge Massachusetts, 2006 [6] Niculita P., Purice N.,Tehnologii frigorifice in valorificarea produselor alimentare de origine animala, Editura Ceres, Bucuresti, 1986 [7] Niculita P., Tehnica si tehnologia frigului in domenii agroalimentare, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1998 [8] Trott A.R., Welch T., Refrigeration and Air-Conditioning, Butterworth Heinemann, 2000