Μεταφορά θερμότητας κατά την ξήρανση σταφυλιών σε ρεύμα θερμού αέρα: Προσομοίωση με CFD

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας μελέτης ήταν η προσομοίωση της μεταφοράς θερμότητας που πραγματοποιείται κατά την ξήρανση των τροφίμων σε ένα ξηραντήρα σταθερής κλίνης. Μέσω αυτής της ανάλυσης σκοπός ήταν η κατανόηση του φαινομένου της ξήρανσης ως συνδυασμός της μεταφοράς θερμότητας και μάζας. Τα αποτελέσματα για την θερμοκρασία στο κέντρο του φρούτου συγκρίθηκαν με τις θεωρητικές τιμές, όπως βρίσκονται από τις εξισώσεις μεταφοράς θερμότητας. Το προϊόν που επιλέχθηκε προς μελέτη ήταν το σταφύλι. Το εν λόγω τρόφιμο είναι ένα μίγμα που απαρτίζεται κατά κύριο λόγο από νερό, πρωτεΐνες, σάκχαρα, λίπος και τέφρα. Αέρας θερμοκρασίας Τ=60 °C και ταχύτητας u=0,5 m/s, χρησιμοποιείται για την ξήρανση των σταφυλιών, η οποία διαρκεί περίπου 46 h. Η μεταφορά θερμότητας γίνεται μέσω συναγωγής από το ρεύμα του αέρα στο φρούτο και μέσω αγωγής από την επιφάνεια στο εσωτερικό αυτού. Για την εργασία αυτή δημιουργήθηκαν τρεις διαφορετικές γεωμετρίες: 1. Όπου σχεδιάστηκαν 25 ρώγες σταφυλιού μέσα στην κλίνη. 2. Όπου σχεδιάστηκε μία ρώγα σταφυλιού στο κέντρο της κλίνης, για τη σύγκριση με τα θεωρητικά αποτελέσματα και 3. Όπου όλη επιφάνεια των σταφυλιών θεωρήθηκε ως ένα ενιαίο πορώδες υλικό για την μελέτη της πτώσης πίεσης. Αρχικά προσδιορίστηκαν με την χρήση εξισώσεων και βιβλιογραφικά οι ιδιότητες του σταφυλιού και των υπόλοιπων υλικών που χρησιμοποιήθηκαν στην προσομοίωση. Στη συνέχεια, σχεδιάστηκαν οι γεωμετρίες, για τις οποίες οι διαστάσεις της κλίνης παρέμειναν σταθερές, δηλαδή L=170 mm, D=113 mm. Κατόπιν, ακολούθησε η επίλυση του φαινομένου μεταφοράς θερμότητας και λήφθηκαν τα αποτελέσματα για το θερμοκρασιακό προφίλ στο εσωτερικό του φρούτου. Από τα αποτελέσματα συμπεραίνουμε ότι η άνοδος της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του φρούτου πραγματοποιείται με γρήγορο ρυθμό στην αρχή, ο οποίος μειώνεται στην πορεία όσο πλησιάζουμε στη θερμοκρασία του μέσου θέρμανσης. Στη γενική του μορφή το μοτίβο αυτό επιβεβαιώνεται και από τα θεωρητικά αποτελέσματα με τη χρήση εξισώσεων αν και παρατηρούνται μικρές διαφορές. Τέλος, η πτώση πίεσης που παρατηρείται εντός της κλίνης είναι αρκετά μικρή.

The purpose of this study was to simulate the heat transfer that takes place during food drying in a fixed bed dryer, using the Computational Fluid Dynamics. Through this analysis we tried to better understand the drying process, as a combination of heat and mass transfer phenomenon. The temperature results for the center of the fruit were compared with those found using the heat transfer equations in order to investigate whether Computational Fluid Dynamics can be used to estimate the heat transfer mechanism. The product selected for the study was grape which is a mixture consisted mostly of water, proteins, sugars, fat and ash. The drying process of grapes uses hot air (T=60 °C, u=0,5 m/s) and needs approximately 46 h to be completed Heat transfer is a combination of convection from the air stream to the surface of fruit and conduction from the surface of grape to the center of it. For this simulation three different geometries were designed:  Firstly 25 grapes were designed in a fixed bed.  In the second geometry, only one grape was designed in the middle of the bed.  In the third geometry, the entire surface covered by grapes was considered as a porous zone, in order to simulate the pressure drop. Firstly, the properties of grapes and other materials used in the simulation were found using equations and literature. Next, the three geometries were designed, for which the dimensions of the bed remained constant, L = 170 mm, D = 113 mm. Then, heat transfer problem was computed and the results for the temperature profile in the fruit were obtained. The simulation results showed, a high increasing rate of temperature at the beginning which is gradually decreasing as far as the center temperature approaches the heating medium temperature. These results were compared with those occurred by heat transfer equations and little differences were observed. Finally, the pressure drop across the fixed bed is quite small.