Τρισδιάστατη (3-D) προσομοίωση του ψησίματος προϊόντων αρτοποιίας σε βιομηχανικό φούρνο με την εφαρμογή υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD)

Abstract

Το βιομηχανικό ψήσιμο αρτοσκευασμάτων συνήθως πραγματοποιείται σε φούρνους τύπου τούνελ, οι οποίοι δίνουν στον χρήστη μεγάλη ευελιξία στην προσαρμογή των συνθηκών ψησίματος προς επίτευξη άριστου αποτελέσματος. Το προφίλ θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια της διεργασίας, το οποίο εξαρτάται από την κατανομή της θερμότητας και την διαμόρφωση της ροής του αέρα μέσα στον θάλαμο ψησίματος, καθορίζει την τελική ποιότητα του προϊόντος. Η παρούσα εργασία ασχολείται με την ανάπτυξη ενός τρισδιάστατου μοντέλου Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής (CFD), για ολόκληρο τον θάλαμο ψησίματος μπισκότων μαλακής ζύμης, ώστε να διευκολυνθεί η καλύτερη κατανόηση της διεργασίας αυτής. Εξαιτίας της πολυπλοκότητας της διεργασίας και της λειτουργίας του φούρνου, η μέθοδος της Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής, ίσως να είναι η πιο αποτελεσματική. Το μοντέλο σχεδιάστηκε για να προβλέπει την θερμοκρασία και την ροή του αέρα, εξαιτίας της μεταφοράς θερμότητας μέσω συναγωγής και ακτινοβολίας, και το μέγεθος της ταχύτητας σε κάθε σημείο του θαλάμου. Ειδικότερα, σχεδιάστηκε για να περιγράψει την πολύπλοκη κυκλοφορία του αέρα, η οποία προκύπτει από τους μηχανισμούς εισόδου και εξόδου του από τα άκρα του φούρνου και από την απαγωγή του από τους διάφορους αγωγούς απομάκρυνσης υγρασίας κατά το μήκος του. Συμπληρωματικά στο μοντέλο αυτό, έδρασε η ανάπτυξη ενός μαθηματικού μοντέλου πρόβλεψης των φαινομένων μεταφοράς ενέργειας και μάζας μέσα στο προϊόν. Η έλλειψη επαρκούς υπολογιστικής ισχύος, δεν επέτρεψε ώστε η πρόβλεψη αυτή να γίνει επίσης με την μέθοδο CFD. Σύγκριση των αριθμητικών λύσεων με τις πειραματικές μετρήσεις θερμοκρασίας, απέδωσε πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα, γεγονός που αποδεικνύει ότι η μοντελοποίηση της διεργασίας ψησίματος με CFD είναι μια πολλά υποσχόμενη μέθοδος για την βιομηχανία τροφίμων.

The industrial baking of bakery products is commonly performed in tunnel ovens, which give operators high flexibility for adjusting baking conditions to optimum values. The temperature profile, during the process, which depends on the distribution of temperature and air flow in the oven chamber, dominates the final product quality. In this study, a threedimensional (3-D) CFD model for the whole baking oven chamber used for soft-dough biscuit baking, has been developed to facilitate a better understanding of this process. Due to the complexity of the certain process and the oven’s function, Computational Fluid Dynamics may be the most effective method. The model was established to predict the temperature and airflow pattern due to the convective and radiation heat transfer, and also the value of velocity at each point of the oven chamber. Specifically, it was used in order to describe the complex air circulation resulting from the mechanisms of air input and exit at the ends of the oven and of air extraction through the different extraction points located along the oven length. Finally, it was integrated with a mathematical model developed for the prediction of the heat and mass transfer phenomena inside the product. This prediction, unfortunately, was not allowed to be performed using CFD, due to the lack of sufficient computational power. Comparison of numerical results with experimental measurements of temperature shows a fairly close agreement, fact that proves the modeling of baking process with CFD is a promising method about the food industry.