Υπολογισμός ποιοτικής υποβάθμισης και ποιοτικά ισοδύναμων σημείων σε προιόντα που θερμαίνονται με αγωγή με χρήση CFD

Abstract

Το αντικείμενο της παρούσας εργασίας επικεντρώνεται στον υπολογισμός της ποιοτικής υποβάθμισης και των ισοδύναμων ποιοτικά σημείων σε προϊόντα τα οποία θερμαίνονται με αγωγή και τα οποία βρίσκονται σε κυλινδρικό περιέκτη με χρήση του προγράμματος υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (Computational Fluid Dynamics, CFD). Με βάση τα δεδομένα που προέκυψαν από το CFD προσδιορίστηκαν τα ποιοτικά ισοδύναμα σημεία, τα οποία ορίζονται σαν σημεία στα οποία η τιμή δεδομένου δείκτη ποιότητας του προϊόντος μετά από δεδομένη θερμική διεργασία ισούται με την μέση τιμή του δείκτη στο τέλος της θερμικής διεργασίας. Η θερμική επεξεργασία αφορούσε θέρμανση με αγωγή με ομοιόμορφη αρχική θερμοκρασία και σταθερή θερμοκρασία θέρμανσης και ψύξης, ενώ θεωρήθηκε άπειρος συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με σταθερές θερμοφυσικές ιδιότητες προϊόντος. Εν συνεχεία Οι τιμές D και z των ποιοτικών παραμέτρων για τη μελέτη που πραγματοποιήθηκε επιλέχθηκαν από τη βιβλιογραφία. Αρχικά με τη βοήθεια του σχεδιαστικού προγράμματος Gambit ® 2,3.16 πραγματοποιήθηκαν διάφορες δοκιμές με σκοπό τη δημιουργία της κονσέρβας (307×409, L=0.1095 m, R=0.04207 m) και την επιλογή του καταλληλότερου πλέγματος για την συγκεκριμένη γεωμετρία. Οι επιλογές που πραγματοποιήθηκαν αφορούσαν σε δύο διαφορετικούς τύπους πλέγματος τα οποία διέφεραν και στον αριθμό των κελιών τους (πυκνότητα). Αυτά αποτελούσαν (τετράεδρα και εξάεδρα κελιά- Tet/Hybrid - Hex/Wedge). Σε επόμενο στάδιο ακολούθησε η αλλαγή του απόλυτου κριτηρίου σύγκλισης (10 -6 και 10 iv -9 ) και η διακριτοποίηση του χρόνου (πρώτης και δεύτερης τάξης). Κατόπιν μελετήθηκαν κάποια χρονικά βήματα για δοκιμή του καταλληλότερου και με τα ακριβέστερα αποτελέσματα (time step, 1s, 10s, 20s, 60s). Η τιμή α (θερμική αγωγιμότητα) θεωρήθηκε σταθερή (α=1,56×10 -7 m 2 /s). Η ακρίβεια του μοντέλου αξιολογήθηκε συγκρίνοντας τα αποτελέσματα χρονοθερμοκρασιακού προφίλ του CFD με την αναλυτική λύση μιας τυπικής θερμικής διεργασίας (70 min θέρμανση και 110 min ψύξη). Η αριθμητική λύση η οποία χαρακτηρίζεται από εξάεδρο πλέγμα 0,5% Shortest Edge (επιλογή στο πρόγραμμα Gambit που αφορά την πυκνότητα του πλέγματος), με αριθμό κελιών 320988, απόλυτο κριτήριο σύγκλισης 10 και δεύτερης τάξης διακριτοποίησης έδωσε την πιο αποδοτική λύση του μοντέλου με τα πιο ακριβή αποτελέσματα τόσο για την εξέλιξη της θερμοκρασίας στην κονσέρβα όσο και για τον υπολογισμό των τιμών F (για μικροοργανισμό στόχο και για ποιοτικούς παράγοντες). Ο υπολογισμός της τιμής F πραγματοποιήθηκε με την προσθήκη ενός εξωτερικού -9 προγράμματος UDF (User Defined Functions) στο λειτουργικό περιβάλλον του υπολογιστικού προγράμματος Fluent v14.5. Τέλος με το πέρας της θερμικής διεργασίας της κυλινδρικής κονσέρβας υπολογίσθηκε η μέση διατήρηση ποιοτικού παράγοντα για μια σειρά από διαφορετικές περιπτώσεις με ίδια γεωμετρία αλλά με διαφορετικές τιμές θερμοκρασίας αυτοκλείστου (T ) και διαφορετικές τιμές α, D και z

The object of this paper focused on the calculation of quality degradation and equivalent quality points on products which are heated by conduction inside a cylindrical container using computational fluid dynamics program (Computational Fluid Dynamics, CFD). Based on the data generated by the CFD we identified quality equivalent points, which are defined as the points at which the value as a quality index of the product after a given thermal process is equal to the average value of the index at the end of the thermal process. The D and z values of the quality indices were determined from literature. Initially, with the help of the design program Gambit® 2,3.16 several tests were performed in order to create the can (307×409, L=0.1095 m, R=0.04207 m), and then select the most suitable matrix for the particular geometry. The cases that were examined concerned two different types of mesh which also varied at the number of their cells (density). These were (tetrahedrons and hexahedrons cells- Tet / Hybrid - Hex / Wedge). In the next stage followed by a change in absolute convergence criterion (10 ) and the discretization time (first and second class). Then we studied different time steps for selecting the most suitable (time step, 1s, 10s, 20s, 60s). The  value (thermal conductivity) was initially constant ( = 1,56 × 10-7m vi 2 / s). The accuracy of the model was evaluated in comparison to the analytical solution of a time-temperature profile of a typical thermal process (70 min 110 min heating and cooling). The numerical solution characterized by a Hexahedron mesh 0,5% Shortest Edge (option in Gambit program relating to the density of the matrix), with a number of cells 320988, absolute convergence criterion 10-9 and second order discretization gave the most effective solution of the model with the most accurate results. In addition to the critical point (center of geometry) different points were selected for calculating both the temperature of the can and the F values (for target microorganism and qualitative factors). The calculation of the F value was performed by adding an external program UDF (User Defined Functions) in the operating environment of the computational program Fluent v14.5. Finally upon completion of the thermal process of the cylindrical can, the mean concentration of the quality factor at the end of the process was calculated for a number of different cases with the same geometry but with different values of temperature of the autoclave (T RT ) and with different values of α, D and z