Development of a system for heat pump water/water for cooling and drying of tomatoes

Abstract

O tomate destinado tanto ao consumo de mesa, in natura, quanto à produção industrial, é uma hortaliça consumida o ano inteiro, sendo o Brasil um grande produtor, nas regiões Centro Sul e em algumas regiões do Nordeste e Sul do país. Mas as perdas pós-colheita superam 50 % durante o processo de colheita e de pós-colheita. Estas perdas são principalmente de tipos mecânica, fisiológica ou patológica. Portanto a utilização de uma tecnologia apropriada, como neste caso a concepção de um sistema de bomba de calor água/água em cascata, permitirá reduzir consideravelmente as perdas da pós-colheita dos tomates. Utilizando o sistema em conjunto, circuito de baixa e alta pressão na produção de água gelada (2°C) e quente (90°C), pode ser aproveitado para realizar as operações de resfriamento rápido por água gelada por aspersão, tipo chuveiro para tomates em estado de maturação verde maduro antes da embalagem para seu transporte em sistemas refrigerados para os mercados de comercialização em condições de qualidade exigida pelo consumidor. Ao mesmo tempo com a utilização do lado de alta pressão (alta temperatura) do sistema em estudo será possível a produção de uma fonte quente para atingir temperaturas (60 e 75°C) programadas no secador de bandejas e assim realizar a operação de secagem de tomates, previamente pré-tratados (redução de tamanho e eliminação de sementes) com fins de obter uma melhor transferência de calor no produto, e com a conseqüente eliminação de grande quantidade de água contida, reduzindo seu peso e volume, permitindo melhor conservação por tempo mais prolongado, fácil transporte e econômico. Para a determinação do melhor desempenho do sistema de bomba de calor indicado, foram realizados ensaios com a finalidade de encontrar o fluido refrigerante que atinja o melhor coeficiente de performance no ciclo de baixa e alta pressão, em base na melhor capacidade de trabalho na temperatura (abaixo de 0°C) de evaporação e condensação (perto de 90°C), e também com considerações de custo - beneficio. Assim foram testados os fluidos refrigerantes como o MP39, o R22, o R600 e R600a. O R22 mostrou melhor eficiência no circuito de baixa pressão, enquanto que o R600 teve melhor performance no circuito termodinâmico de alta pressão. Depois da escolha do melhor fluido refrigerante, se realizou a operação de resfriamento dos tomates, utilizando o sistema desenvolvido, onde o produto resfriado teve os mesmos resultados quando resfriado em outro sistema de bomba de calor convencional. Realizada a operação de secagem de tomates pré-tratados no sistema de bomba de calor, mostrou-se que o secador de bandejas operando com uma fonte de calor produzida pelo circuito da alta pressão ou de alta temperatura, atingiram-se as características de um produto seco em secador de bandejas com fonte de calor aquecida por resistência elétrica. Com estes resultados os objetivos planejados foram atingidos, mostrando a redução de consumo de energia no resfriamento e secagem de tomates (30%) e com boa qualidade de sabor, cor e umidade no produto final que o consumidor aceitaria. O sistema seria de muita utilidade para os produtores e distribuidores de tomates no BrasilTomato fruits are destined for consumption all around the year either in their natural form or as industrial product. Brazil is one the largest producers of tomato and its production is mainly located in the Center South regions and some northeast regions the country. Brazil also faces postharvest losses surpassing 50% of the production. The origin of these losses is mainly from mechanical, physiological or pathological injuries. The use of appropriate technologies, in the present case, the conception of an in-cascade water to water heat pump system could allow considerably reducing these losses. The system presented is and inset low and high pressure cycles to generate simultaneously cold and warm water to meet the requirement of fast cooling and drying system. The low pressure cycle generate the cold water for an aspersion hydrocooling system to cool down tomato fruits before being transported and commercialized to meet the increasing demand of the consumer for produce of high quality. At the same time, the high-pressure and high temperature cycle of the system produce heat stored in a form of hot water to produce air at the required temperature for drying tomato fruits previously cut and eliminating seed to eliminate a large amount of water contained in the produce, thus by reducing the weight and volume. Such dried tomato fruits better allow more time to be commercialized and used generating better economic returns and easier transportation. For obtaining optimum performance of the heat pump system, testes were carried out to determine the best cooling fluid, reaching the maximum coefficient of performance (COP). The R22 showed the best efficiency in the cycle of low pressure, while the R600 had better performance in the high-pressure thermodynamic cycle. Using these two fluid, the developed system was operated for cooling tomatoes and showed the same the results than conventional cooler but with better COP. Drying tomato operation using this incascade heat pump system revealed that the batch drier operating with the high-pressure or high temperature heat source cycle produced the same characteristics of dry product than drying batches of tomato fruits with electric resistance heat source. With these results the present objectives were reached, showing an important reduction of energy required for cooling and drying tomato fruits simultaneously and producing of good quality food, a product that the eventual consumer would accept. This system will be of much utility for the producers and processors of tomato in the entire Brazi