Utjecaj prethodne obrade ultrazvukom na sušenje dinje i modeliranje temperaturnog profila pomoću računalne dinamike fluida

Research background: Drying is one of the most traditional processes of food preservation. Optimizing the process can result in a competitive product on the market regarding its price and quality. A common method in use as a pretreatment to drying is ultrasound. The goal of this work is to analyze different drying methods with and without applying ultrasound (US) pretreatment, on heat and mass transfer, simulating numerically the temperature profile by computational fluid dynamics (CFD). Experimental approach: The melon slices were pretreated with ultrasound for 10 (US10), 20 (US20) and 30 (US30) min at 25 kHz, and the water loss and solid gain were evaluated. Samples were dried at different temperatures (50, 60 and 70 °C). The effective diffusivity was estimated, and experimental data were modelled using empirical models. The airflow in the dryer and the temperature profile in the melon slice were simulated via computational fluid dynamics (CFD). Results and conclusions: Ultrasound pretreatment reduced the drying time from 25% (samples US20 and US30 at 50 °C) to 40% (samples US20 and US30 at 70 °C). The two-term exponential model presented the best fit to the experimental data, and the diffusivity coefficients showed a tendency to increase as the time of exposure of the melon to ultrasonic waves increased. Pretreatment water loss and solid gain behaviour and drying kinetic and diffusion data were used to choose the best experimental conditions to be simulated with CFD. The heat transfer modelling through CFD showed that the temperature distribution along the melon slice was representative. Therefore, the profile obtained via CFD satisfactorily describes the drying process. Novelty and scientific contribution: The use of simulation tools in real processes allows the monitoring and improvement of existing technologies, such as food drying processes, that involve complex mechanisms, making it difficult to obtain some data. Application of CFD in the drying processes of fruits and vegetables is still very recent, being a field little explored. There is no record in the literature that uses CFD in the drying of melon.Pozadina istraživanja. Sušenje je jedan od najtradicionalnijih postupaka konzerviranja hrane. Optimiranjem postupka sušenja dobivaju se proizvodi koji su cijenom i kakvoćom konkurentni na tržištu. Primjena ultrazvuka je uobičajena metoda prethodne obrade proizvoda prije sušenja. Svrha je ovoga rada bila ispitati različite metode sušenja s prethodnom obradom ultrazvukom ili bez nje na prijenos topline i mase, te napraviti simulaciju temperaturnog profila primjenom računalne dinamike fluida. Eksperimentalni pristup. Kriške dinje su prethodno obrađene ultrazvukom pri 25 kHz tijekom 10, 20 i 30 min, te su izmjereni gubitak vode i povećanje mase suhe tvari uzoraka. Uzorci su zatim sušeni pri temperaturama od 50, 60 i 70 °C. Procijenjena je efektivna difuzivnost vode, a eksperimentalni su rezultati oblikovani pomoću empirijskih modela. Protok zraka u sušari i promjena temperature u krišci dinje simulirani su pomoću računalne dinamike fluida. Rezultati i zaključci. Prethodnom obradom ultrazvukom vrijeme se sušenja smanjilo od 25 % (za uzorke obrađene ultrazvukom tijekom 20 i 30 min, a zatim sušene na 50 °C) do 40 % (za uzorke obrađene ultrazvukom tijekom 20 i 30 min, a zatim sušene na 70 °C). Dvočlani eksponencijalni model najbolje je opisao eksperimentalne podatke, a koeficijent difuzivnosti povećavao se s produljenjem obrade uzoraka dinje ultrazvukom. Gubitak vode i povećanje mase suhe tvari tijekom prethodne obrade ultrazvukom, te kinetika sušenja i podaci o difuzivnosti korišteni su za odabir najboljih eksperimentalnih uvjeta i njihovu simulaciju pomoću računalne dinamike fluida. Modeliranjem prijenosa topline potvrđeno je da je distribucija topline u kriški dinje bila u skladu s očekivanjima. Stoga je zaključeno da temperaturni profil dobiven računalnom dinamikom fluida na zadovoljavajući način opisuje postupak sušenja. Novina i znanstveni doprinos. Alati za simulaciju stvarnih procesa omogućuju praćenje i poboljšanje postojećih postupaka obrade hrane kao što je sušenje, koje uključuje kompleksne mehanizme, što otežava dobivanje podataka. Primjena računalne dinamike fluida pri sušenju voća i povrća je noviji i slabo istražen postupak. U znanstvenoj literaturi nema podataka o upotrebi računalne dinamike fluida pri sušenju dinje

Estudo fluidodinâmico computacional de um forno piloto rotativo contínuo a gás natural para produção de gesso beta

O Nordeste brasileiro se apresenta como um dos mais importantes produtores de gesso e seus derivados do País. O processo de produção do gesso beta é determinado pela desidratação do minério de gipsita, sendo principalmente realizada em fornos rotativos tubulares. A operação de calcinação, na qual a gipsita se transforma em gesso beta pela ação do calor, é função direta das condições de composição do material sólido (gipsita), da natureza do combustível (gás natural, GLP, lenha, etc.), além da temperatura e pressão do forno. Porém esses fornos apresentam um difícil controle de suas variáveis, sendo um limitante do produto final obtido. A Fluidodinâmica Computacional (CFD) pode ser descrita de forma generalizada como a simulação numérica de todos aqueles processos físicos e/ou físico-químicos que apresentam escoamento. Utilizando as equações fundamentais dos fenômenos de transporte: balanço de massa, energia e quantidade de movimento, são criados modelos matemáticos, e a partir deles, são desenvolvidos modelos computacionais para a execução de simulações numéricas, obtendo-se assim projeções para a solução do problema. O presente trabalho aborda a simulação de um forno rotativo contínuo para a produção de gesso utilizando gás natural como combustível através da fluidodinâmica computacional utilizando um software comercial ANSYS CFX. Para isso, foram utilizados modelos de combustão (Eddy Dissipation e Finite Rate Chemistry) modelos de radiação (P1, Discrete Transfer e Rosseland) e modelos de turbulência (κ-ε, RNG κ-ε e SST) com objetivo de identificar a melhor das combinações. Os resultados dessas simulações foram comparados e validados com os dados da evolução da temperatura do gás ao longo do forno rotativo. Esta escolha se deve ao fato de buscar um modelo que além de se adequar aos resultados experimentais, possa oferecer dados de variáveis físicas e/ou químicas que são de difícil obtenção experimental. Outro ponto analisado foi à comparação dos valores das temperaturas de chama obtidas através das simulações, com a temperatura de chama teórica adiabática (TTCA), com intuito de descobrir qual modelagem melhor representa os dados teóricos de chama. Foi possível obter um modelo bastante representativo, principalmente na região mais próxima da chama, obtendo-se estimativas da densidade, pressão, velocidade e frações molares de H2O, CO2 e NO. Verificou-se também, para a modelagem com melhor aproximação em relação à Temperatura Teórica de Chama Adiabática, a forma como sua temperatura varia em relação à variação do excesso de ar