Επίδραση των θερμοφυσικών ιδιοτήτων τροφίμων και ποτών, στην ψύξη ή/και την κατάψυξή τους σε πολυδύναμους ψυκτικούς θαλάμους

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η εξοικείωση των φοιτητών με τον τομέα της βιομηχανικής ψύξης των τροφίμων. Όπως είναι ευρέως γνωστό, η Ελλάδα αποτελεί μία από τις σημαντικότερες αγορές σε Ευρωπαϊκό και παγκόσμιο επίπεδο, όσον αφορά την παραγωγή αγροτικών και κτηνοτροφικών προϊόντων. Ωστόσο, λόγω κακής διαχείρισης από τους ίδιους τους παραγωγούς αφενός αλλά και από τον κρατικό μηχανισμό αφετέρου, τα τελευταία χρόνια, η παραγωγή έχει μειωθεί σημαντικά, με αποτέλεσμα να εισάγονται προϊόντα από ξένες αγορές, τα οποία συχνά είναι χαμηλής ποιότητας. Παρόλα αυτά, εν καιρό οικονομικής, καθώς και πολιτισμικής κρίσης, όπου η προηγούμενη γενιά είχε σχεδόν εγκαταλείψει τις περιουσίες και την παραγωγή προϊόντων, όλο και περισσότεροι νέοι συνειδητοποιούν ότι ο τομέας αυτός παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον αλλά και μεγάλες προοπτικές για το μέλλον. Τα ελληνικά προϊόντα έχουν τη δυνατότητα να κατακλύσουν τις αγορές του κόσμου. Ωστόσο, κάτι τέτοιο απαιτεί σωστή διαχείριση, όπως επίσης και ασφαλή συντήρηση των προϊόντων σε ψυκτικούς θαλάμους. Αυτό, λοιπόν, είναι το περιεχόμενο που πραγματεύεται η παρούσα εργασία, με τη δημιουργία ενός υπολογιστικού μοντέλου το οποίο εκτιμά την απαιτούμενη ενέργεια για την ασφαλή συντήρηση των προϊόντων πριν αυτά διατεθούν στην αγορά. To μοντέλο αυτό έχει σχεδιαστεί στο υπολογιστικό περιβάλλον του MATHCAD 14. Στο κεφάλαιο 1 παρουσιάζονται οι θερμικές και οι θερμοφυσικές ιδιότητες της λίστας των προϊόντων που παρέχεται από την ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning). Παρουσιάζεται η σύσταση καθενός από τα προϊόντα, καθώς και διάφορα μοντέλα υπολογισμού των θερμοφυσικών και θερμικών τους μεγεθών, όπως πυκνότητας, θερμικής αγωγιμότητας, ειδικής θερμοχωρητικότητας κτλ. Στην παρούσα διπλωματική εργασία ακολουθήθηκαν τα μοντέλα που κρίθηκαν ότι παρέχουν τα ακριβέστερα αποτελέσματα. Στο κεφάλαιο 2 υπολογίζονται οι χρόνοι που απαιτούνται ώστε ένα προϊόν να ψυχθεί ή να καταψυχθεί. Για κάθε μία από τις δύο παραπάνω διαδικασίες χρησιμοποιείται διαφορετικό μοντέλο και παρουσιάζεται κατά βήματα η διαδικασία υπολογισμού. Στο κεφάλαιο 3 γνωστοποιούνται όσο το δυνατόν καλύτερα, από την πλευρά του μηχανικού, οι κίνδυνοι που αναφέρονται στη μικροβιακή μόλυνση και γενικότερα τη μικροβιακή δραστηριότητα των τροφίμων. Παρουσιάζονται οι κύριες πηγές μικροβίων, εντός και εκτός του θαλάμου αποθήκευσης, καθώς και πως αυτά επηρεάζουν τα τρόφιμα. Επιπλέον, αναλύονται διάφοροι μηχανισμοί πρόληψης ανάπτυξης των μικροβίων. Τέλος, γίνεται αναφορά στο σύστημα ελέγχου της ποιότητας των τροφίμων βάσει του κώδικα HACCP. Στο κεφάλαιο 4 αναλύονται οι ψυκτικοί θάλαμοι αλλά και οι μέθοδοι ψύξης που χρησιμοποιούνται. Αρχικά, παρουσιάζονται τα κριτήρια που λαμβάνονται υπόψη κατά το σχεδιασμό ενός θαλάμου, καθώς και του χώρου τοποθέτησης αυτού. Εν συνεχεία, παρουσιάζονται τα συστήματα ψύξεως και καταψύξεως, που χρησιμοποιούνται κυρίως στις βιομηχανίες των βρώσιμων προϊόντων, καθώς και το πώς λειτουργούν. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται οι ιδιαιτερότητες κάθε κατηγορίας τροφίμων που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά τη συντήρησή τους. Επίσης, παρουσιάζεται η μέθοδος ψύξης που ενδείκνυται για κάθε κατηγορία προϊόντων κι ακόμη η προτιμώμενες συνθήκες αποθήκευσης. Στο κεφάλαιο 6 γίνεται αναφορά στα ψυκτικά φορτία που απαιτούνται, ώστε να επιτυγχάνεται η επιθυμητή αποθήκευση των προϊόντων. Τα φορτία αυτά καλούνται να αντιμετωπίσουν το θερμικό κέρδος λόγω των εσωτερικών πηγών θερμότητας και των εναλλαγών αέρα. Αναφέρονται επίσης, στην ψύξη του χώρου και την απορρόφηση της θερμότητας από τα προϊόντα, ώστε αυτά να αποκτήσουν την τελική θερμοκρασία συντήρησής τους. Επιπρόσθετα, παρουσιάζεται και η μελέτη ενός απλού θαλάμου καταψύξεως, βάσει του παραδείγματος της ASHRAE. Στο κεφάλαιο 7 παρουσιάζεται μία πραγματική μελέτη βιομηχανίας αποθήκευσης προϊόντων. Πιο συγκεκριμένα, η εγκατάσταση αποτελείται από πολυδύναμους ψυκτικούς θαλάμους, στους οποίους συσκευάζονται, ψύχονται και καταψύχονται διάφορα φρούτα, λαχανικά καθώς και προϊόντα κρέατος. Η εγκατάσταση τοποθετείται στην περιοχή των Χανίων και τα προϊόντα που αποθηκεύονται καλλιεργούνται και εκτρέφονται στην Κρήτη. Στο τέλος παρουσιάζεται μία σύγκριση των ψυκτικών φορτίων, για κάθε μήνα του χρόνου, βάσει τη μέγιστης μέσης μηνιαίας θερμοκρασίας του ατμοσφαιρικού αέρα. Η παρούσα εργασία κλείνει με το παράρτημα των πινάκων, ο οποίοι περιέχουν τις θερμοφυσικές ιδιότητες των προϊόντων σε διάφορες θερμοκρασίες αποθήκευσης, ακόμα παρουσιάζονται οι επιθυμητές συνθήκες αποθήκευσης αυτών και τέλος, ακολουθούν οι κατόψεις για κάθε όροφο της εγκατάστασης.

The purpose of this thesis is to familiarize students with the field of industrial refrigeration of food. Greece, is one of the most important markets in European and global level on the production of agricultural and livestock products. However, due to poor management by both producers themselves but also from the state apparatus, in recent years, production has been significantly reduced and as a result, products from foreign markets are imported, which very often, have low quality. However, in times of economic and cultural crisis, where the previous generation had almost abandoned their properties and production, more and more young people are realizing that this is an interesting area with great prospects for the future. Greek products have the potential to flood the markets all over the world. Proper management, as well as safe storage of products in cold storage are some of the most crucial requirements. These aspects will be analyzed in the current thesis with the projection of a computational model that estimates the energy required for the safe maintenance of products before they are marketed. To model has been designed in the computing environment of MATHCAD 14. In chapter 1, the thermal and thermo-physical properties from one list of products provided by ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning) and shows the composition for each product, various models for calculating thermophysical and heat sizes, such as density, thermal conductivity, specific heat, etc. In this thesis are presented the models which provided the most accurate results. In chapter 2 is calculated the time required for a product to be cooled or frozen. For each of the above two procedures different model is used and, a step by step process of calculation is presented. In chapter 3 is calculated as best as possible, from engineer’s side, the risks referred to microbial contamination and general microbial activity of food. The main sources of microbes inside and outside storage compartment, and how these affect food are presented. Moreover, several mechanisms that could prevent a microbial growth are analyzed. Finally, is made a reference to control the quality of food according the HACCP Code. In chapter 4 is analyzed the cooling chambers and the cooling methods used. Initially, is presented the criteria taken into account when a chamber is designed, and the placement of this space. Furthermore cooling and freezing systems are presented, which mainly used in the industries of edible products and how they work. In chapter 5 is presented the specificities of each food category that should be taken into account during maintenance. Also is presented the method of cooling indicated for each product category and furthermore the preferred storage conditions. Chapter 6 refers to the cooling loads required to achieve the desired storage products. These loads have to face the heat gain due to internal heat sources and infiltration. Also, these refers to the space cooling and heat absorption of the products that they have reached their final temperature maintenance. At the end of the chapter is presented a study that shows a simple freeze chamber, based on an example of ASHRAE. Chapter 7 presents a real study storage industry for products. More specifically, the installation consists of multipotent cooling chambers, which are packaged, chilled and frozen fruits, vegetables and meat products. The unit is placed in the area of Chania and products stored grown and raised in Crete. At the end is presented a comparison of cooling loads for each month of the year, based on the maximum mean monthly air temperature. This thesis ends with the thermophysical properties of the products in different storage temperatures grouped in tables, the desired storage conditions are presented and is shown the plans of each of the two floors of the refrigeration plant.