dissertação
Simulação computacional de transferência de momentum e calor em um túnel de congelamento
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Universidade Federal de Lavras
Faculdade, Instituto ou Escola
Departamento
Departamento de Ciência dos Alimentos
Programa de Pós-Graduação
Programa de Pós-Graduação em Ciência dos Alimentos
Agência de fomento
Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG)
Tipo de impacto
Áreas Temáticas da Extenção
Objetivos de Desenvolvimento Sustentável
Dados abertos
Resumo
O túnel de congelamento rápido tem como principal característica a presença de sopradores axiais ou centrífugos, estes circulam o ar sobre os produtos de maneira controlada, ocasionando um resfriamento extremamente rápido, devido à convecção forçada. Na indústria de alimentos, este equipamento é utilizado para congelamento de diversos produtos como legumes, produtos de panificação, filés de peixe e alimentos preparados. A dinâmica dos fluidos computacional, conhecida como CFD (Computational Fluid Dynamics), utiliza métodos computacionais para simulação de fenômenos de transporte, obtendo, assim, distribuições de campos de velocidade e temperatura. Este trabalho teve por objetivo a predição de tais campos em um túnel de congelamento. Adicionalmente, propôs-se, com a intenção de melhorar a uniformidade dos campos de velocidade e temperatura, a aplicação de aletas para o direcionamento do fluxo gasoso. O pacote comercial Ansys-Fluent® foi utilizado para a resolução do modelo computacional pelo método de volumes finitos. As simulações tridimensionais desenvolvidas envolveram as equações de transporte: conservação da massa, quantidade de movimento e transferência de energia. As equações algébricas foram resolvidas pelo algoritmo AMG (Algebraic Multi-Grid), utilizando como critério de convergência, que a soma dos resíduos normalizados fosse inferior a 1x10-5 para todas as variáveis. Considerou-se a distribuição uniforme de velocidade de gás na entrada. Os resultados obtidos mostraram que a geometria convencional do túnel de congelamento faz com que o fluxo de ar se concentre em uma região do túnel e que, ao se adicionar chicanas, o fluxo de ar foi direcionado para a região onde são armazenados os produtos. Este redirecionamento provocou uma queda de 15% nos valores de temperatura do túnel cheio, ademais, este apresentou comportamento semelhante ao túnel vazio. Além disso, as simulações computacionais mostraram-se suficientes para predizer o fenômeno de transferência de calor e momentum.
Abstract
The main characteristic of the rapid freezing tunnel is the presence of axial or centrifugal blowers, which circulate the air over the products in a controlled manner, causing extremely rapid cooling due to forced convection. In the food industry, this equipment is used to freeze various products such as vegetables, bakery products, fish fillets and prepared foods. The computational fluid dynamics, known as CFD (Computational Fluid Dynamics) uses computational methods for simulating transport phenomena, thus obtaining distributions of speed and temperature fields. This work aimed to predict such fields in a freezing tunnel. Additionally, it was proposed, with the intention of improving the uniformity of the speed and temperature fields, the application of fins to direct the gas flow. The Ansys-Fluent® commercial package. was used to solve the computational model using the finite volume method. The three-dimensional simulations developed involved the transport equations: conservation of mass, amount of movement and energy transfer. The algebraic equations were solved by the AMG algorithm (Algebraic Multi-Grid), using as a convergence criterion that the sum of the normalized residues was less than 1x10-5 for all variables. The uniform distribution of gas velocity at the entrance was considered. The results obtained showed that the conventional geometry of the freezing tunnel causes the air flow to be concentrated in a region of the tunnel and that, when adding baffles, the air flow was directed to the region where the products are stored. This redirection caused a drop of 15% in the temperature values of the full tunnel, in addition, it presented a similar behavior to the empty tunnel. In addition, computer simulations proved to be sufficient to predict the phenomenon of heat transfer and momentum.
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SILVEIRA, P. G. Simulação computacional de transferência de momentum e calor em um túnel de congelamento. 2021. 53 p. Dissertação (Mestrado em Ciência dos Alimentos) – Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2021.