Ανάλυση της θερμικής διεργασίας παραγωγής κονσερβών με ντολμαδάκια γιαλατζί με χρήση υπολογιστικής ρευστοδυναμικής

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας μελέτης ήταν η προσομοίωση της θερμικής διεργασίας, που ακολουθείται στη βιομηχανία και η σύγκριση των αποτελεσμάτων τους κατά την παραγωγή κονσέρβας ντολμαδάκια γιαλατζί, με τη χρήση της υπολογιστικής ρευστοδυναμικής. Μέσω της σύγκρισης των αποτελεσμάτων, σκοπός ήταν η διερεύνηση των δυνατοτήτων της Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής, να παρέχει στο χρήστη αξιόπιστα αποτελέσματα όσο αναφορά τη μεταφορά θερμότητας, το επίπεδο ασφάλειας και την ποιοτική υποβάθμιση που δέχεται το προϊόν κατά τη διεργασία. Το προϊόν που επιλέχθηκε προς μελέτη ήταν η κονσέρβα της εταιρείας ΖΑΝΑΕ 200 gr με pH 3,8-4. Το εν λόγω προϊόν, απαρτίζεται από μεταλλικό κυλινδρικό περιέκτη και έξι ντολμαδάκια που περικλείονται από το χυμό της κονσέρβας. Η θερμική διεργασία που ακολουθείται στη βιομηχανία κατά τη παρασκευή του, έχει συνολική διάρκεια 46 λεπτών (CUT 10 min) στους 105°C και ακολουθεί ψύξη διάρκειας δέκα λεπτών. Η μεταφορά θερμότητας κατά τη διάρκεια της θερμικής διεργασίας γίνεται μέσω αγωγής και συναγωγής, αφού το προϊόν αποτελείται από στερεά (ντολμαδάκια) και υγρά (χυμός κονσέρβας) συστατικά. Η συλλογή των πειραματικών δεδομένων πραγματοποιήθηκε στο εργοστάσιο της εταιρείας ΖΑΝΑΕ, με τη χρήση θερμοστοιχείου. Για την πραγμάτωση της εργασίας δημιουργήθηκαν τέσσερις διαφορετικές περιπτώσεις (γεωμετρίες) 1. Όλη η κονσέρβα αποτελείται από το προϊόν ομογενοποιημένο. 2. Η κονσέρβα αποτελείται από το προϊόν ομογενοποιημένο με ένα στρώμα αέρα (κενό) 0.1 cm στο πάνω μέρος του μεταλλικού περιέκτη. 3. Η κονσέρβα αποτελείται από το χυμό, ένα ντολμαδάκι στο κέντρο και ένα στρώμα αέρα (κενό) 0.1 cm στο πάνω μέρος του μεταλλικού περιέκτη. 4. Η κονσέρβα αποτελείται από το χυμό, έξι ντολμαδάκια και ένα στρώμα αέρα (κενό) 0.1 cm στο πάνω μέρος του μεταλλικού περιέκτη. Αρχικά, προσδιορίστηκαν βιβλιογραφικά οι θερμοφυσικές ιδιότητες του προϊόντος, και ακολούθησε η ανάπτυξη του αριθμητικού μοντέλου προσομοίωσης για κάθε μια από τις τέσσερις περιπτώσεις, σε μεταλλικό περιέκτη με διάμετρο 9,66 cm και ύψος 3cm. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε επίλυση των μοντέλων, και ακολούθησε αξιολόγηση και σύγκριση των αποτελεσμάτων των τεσσάρων περιπτώσεων, ως προς το χρονοθερμοκρασιακό προφίλ, την τιμή της F διεργασίας, της ύπαρξης κενού η μη στη μεταλλική κονσέρβα καθώς και των ποιοτικών χαρακτηριστικών τους. Παρατηρήθηκε μεγάλη διαφορά στα αποτελέσματα, καθώς και μετατόπιση του κρίσιμου σημείου σε κάθε περίπτωση. Η τέταρτη περίπτωση που αποδείχθηκε να προσομοιάζει καλύτερα τα πειραματικά δεδομένα, επιλύθηκε βάση της θερμικής επεξεργασίας που ακολουθείται στη βιομηχανία. Η σύγκριση με τα πειραματικά δεδομένα, πραγματοποιήθηκε βάση της θερμοκρασιακής μεταβολής και της τιμής της διεργασίας F που συντελείται, κατά τη διάρκεια της θερμικής διεργασίας. Τα αποτελέσματα της σύγκρισης απέδειξαν την δυνατότητα προσομοίωσης μιας θερμικής επεξεργασίας μέσω της υπολογιστικής θερμοδυναμικής.

The purpose of this study was to simulate and compare the results of the heat treatment process used in industry for the production of canned “gialantzi” dolms, using computational fluid dynamics. By comparing the results, the aim was to investigate the capabilities of Computational Fluid Dynamics, to provide the user with reliable results as far as heat transfer, safety level and quality degradation that the product receives during the process. The product selected for the study was the small can (metal container with a diameter of 9.66 cm and a height of 3 cm) of Zanae 200 gr at pH 3.8-4, the product in question consists of the metal cylindrical container and six dolms enclosed in the juice of the can. The heat treatment process used in the industry during its manufacture has a total of forty-six minutes (CUT 10 min) at 105 ° C followed by a cooling period of ten minutes. Heat transfer during the heat processing is achieved by means of conduction and convection, since the product consists of solid (dolms) and liquid (canned juice) ingredients. Experimental data were collected by ZANAE factory using thermocouples. Four different cases (geometries) of different product composition were created to explore the problem space: 1. The entire can consists of homogenized product 2. The can consists of homogenized product with a thin layer of air (vacuum) 0.1 cm on the top part of the metal container. 3. The can consist of juice, a dolm in the center of the can and a thin layer of air (vacuum) 0.1 cm on the top part of the metal container. 4. The can consist of juice, six dolms and a thin layer of air (vacuum) 0.1 cm on the top part of the metal container. Initially, the thermophysical properties of the product were determined bibliographically, followed by the development of a numerical simulation model, for each of the four cases. Subsequent evaluation and comparison of the results between the four cases was conducted, based on the time-temperature profile, the F value of the process, the existence of vacuum, the quality degradation, as well as the comparison of the time-temperature profiles of the cases. Significant difference among the results of all the four cases, as well as the displacement of the critical point were observed in each case. The fourth case, which proved to best simulate the experimental data, was solved on the basis of the heat treatment used in the industry a process of a total heat treatment of 46 minutes (CUT 10 min) at 105 ° C followed by cooling for 10 minutes.The comparison with the experimental data was made on the basis of temperature change and the F value of the process that occured during the heat treatment. The results of this comparison demonstrated the veliability of simulating a heat treatment with the use of Computational Fluid Dynamics.