Πειραματική μελέτη των φαινομένων μεταφοράς θερμότητας και της πτώσης πίεσης κατά τη θερμική επεξεργασία διφασικών ρευστών τροφίμων σε εναλλάκτη θερμότητας διπλού σωλήνα

Abstract

Τα διφασικά ρευστά τρόφιμα που περιέχουν στερεά σωματίδια (particulate foods) είναι μία κατηγορία τροφίμων η οποία σήμερα αναπτύσσεται συνεχώς και με υψηλό ρυθμό. Πρόκειται για τρόφιμα τα οποία αποτελούνται από το φέρον ρευστό, που αποτελεί την υγρή φάση του προϊόντος, και τα σωματίδια, που αποτελούν την υγρή φάση του προϊόντος. Τέτοια προϊόντα τροφίμων θα μπορούσαν να είναι αναψυκτικά ή ροφήματα που περιέχουν κομμάτια φρούτων, παιδικές τροφές, σούπες και σάλτσες. Η θερμική επεξεργασία τους και η ρεολογική τους συμπεριφορά κατά τη ροή σε αγωγούς έχουν αποτελέσει αντικείμενο έρευνας κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετώνται τα φαινόμενα μεταφοράς θερμότητας και η πτώση πίεσης κατά τη θερμική επεξεργασία ρευστού διφασικού τροφίμου σε εναλλάκτη θερμότητας διπλού σωλήνα και η επίδραση σε αυτά των παραμέτρων του τροφίμου και της διεργασίας. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε η επίδραση του ιξώδους του ρευστού, της ταχύτητας ροής, της συγκέντρωσης σωματιδίων στο προϊόν, του σχήματος και του μέγεθους των σωματιδίων στον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας από το εσωτερικό τοίχωμα του αγωγού προς το φέρον ρευστό του προϊόντος hW,F και στην πτώση πίεσης κατά μήκος του αγωγού. Η γνώση του συντελεστή hW,F είναι σημαντική για το βέλτιστο σχεδιασμό της διεργασίας και στη βιβλιογραφία δεν υπάρχουν επαρκή στοιχεία για τον εν λόγω συντελεστή σε θερμική επεξεργασία πραγματικών τροφίμων. Συνοπτικά, από τη διεξαγωγή των πειραμάτων και την επεξεργασία των αποτελεσμάτων προέκυψε το γενικό συμπέρασμα ότι η παρουσία των σωματιδίων επηρεάζει σημαντικά τον συντελεστή συναγωγής hW,F . Πιο συγκεκριμένα, παρατηρείται ότι η αύξηση της συγκέντρωσης των σωματιδίων στο προϊόν επιφέρει αύξηση του συντελεστή hW,F . Ο δεύτερος παράγοντας που έδειξε να επιδρά σημαντικά στον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας hW,F είναι ο αριθμός Reynolds του φέροντος ρευστού, ο οποίος εξ ορισμού εκφράζει την επίδραση του ιξώδους και της ταχύτητας ροής του ρευστού. Όπως ήταν αναμενόμενο, η αύξηση του αριθμού Reynolds διευκολύνει τη μεταφορά θερμότητας μεταξύ του τοιχώματος του αγωγού και του φέροντος ρευστού προκαλώντας αύξηση του αντίστοιχου συντελεστή. Ακόμη, στην παρούσα εργασία προτείνεται ένα μαθηματικό μοντέλο που συνδέει τη μεταβολή του συντελεστή συναγωγής hW,F με τη μεταβολή της συγκέντρωσης σωματιδίων και του αριθμού Reynolds του ρευστού. Το μοντέλο αυτό έχει ως στόχο την ακριβή πρόβλεψη του συντελεστή συναγωγής hW,F για ένα εύρος πειραματικών παραμέτρων και περιγράφεται από την ακόλουθη εξίσωση:

Nu=0,567∙〖Re〗^0,348∙〖Pr〗^0,194∙〖(1+Φ)〗^4,196

Όσον αφορά τη μελέτη της πτώσης πίεσης κατά μήκος του αγωγού, γενικά παρατηρείται αύξηση της πτώσης πίεσης με τη συγκέντρωση των σωματιδίων στο διφασικό προϊόν. Πέραν της συγκέντρωσης, το σχήμα και το μέγεθος των σωματιδίων δεν παρατηρήθηκε να έχει σημαντική επίδραση στη μεταφορά θερμότητας και την πτώση πίεσης. Ένα πρόσθετο ενδιαφέρον εύρημα που προέκυψε κατά την επεξεργασία των αποτελεσμάτων των πειραμάτων είναι ότι η παρουσία των σωματιδίων στο προϊόν φαίνεται να επεκτείνει την περιοχή της στρωτής ροής. Προφανώς, η κίνηση των σωματιδίων στο ρευστό εμποδίζει τη δημιουργία δινών ώστε να περάσει η ροή στην τυρβώδη περιοχή.

Particulate foods is a rapidly developing food category nowadays. They are two-phase fluid products that consist of the carrier fluid, which is the liquid phase, and the particles, which represent the solid phase. Such food products can be refreshing drinks that contain fruit pieces, baby foods, soups and sauces. Their thermal treatment and rheological behavior in tube flow has been investigated during the latest decades.

In the present work, the heat transfer phenomena and the pressure drop during thermal treatment of a particulate product in a tubular heat exchanger are studied. The influence of the fluid viscosity, product velocity, % particle concentration and particle shape and size on the wall-to-fluid heat transfer coefficient hW,F and the pressure drop is investigated. Knowing the actual wall-to-fluid heat transfer coefficient is important for the optimal process design and there is no sufficient information in literature about this coefficient in case of actual food products heat treatment process.

Shortly, the general conclusion that came out of the experiments and the data processing is that the particles presence causes a significant increase of the heat transfer coefficient hW,F . Actually, the wall-to-fluid heat transfer coefficient hW,F increases with the particle concentration in the product. The second factor that has been observed to have a significant influence on the heat transfer coefficient hW,F is the fluid Reynolds number, which expresses the influence of both the fluid viscosity and the flow velocity. As expected, the increase of the Reynolds number assists the wall-to-fluid heat transfer leading to an increase of the corresponding coefficient. Additionally, in the present work, a mathematical model, that relates the convective coefficient hW,F with the particle concentration and the fluid Reynolds number, is presented. This model has been produced in order to predict accurately the heat transfer coefficient hW,F given the values of the experimental parameters. The following equation describes the model that has been produced:

Nu=0,567∙〖Re〗^0,348∙〖Pr〗^0,194∙〖(1+Φ)〗^4,196

Regarding the study of the pressure drop along the tube, generally it is observed that the increase of the particle concentration in the two-phase product causes increase of the pressure drop along the pipe. Apart from the particle concentration, the particles’ shape and size did not seem to have significant influence on the heat transfer phenomena and pressure drop. An additional interesting finding that came out of the experimental results processing is that the particles presence in the product seems to extend the laminar flow regime. Obviously, their movement in the fluid prevents the formation of eddies and the turbulent flow regime cannot be reached.