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Tecnica dicembre 2011 la termotecnica 59 Termodinamica Applicata di P. Catalano, F. Fucci, F. Giametta, G. La Fianza Analisi termofluidodinamica e validazione sperimentale di un impianto di surgelazione a letto fluido Scopo del presente è stato lo studio dei processi di surgelazione su prodotti ortofrutticoli e dei relativi impianti utilizzati all’interno di uno stabilimento di trasformazione delle materie prime in alimenti surgelati. I rilievi di temperatura dei prodotti sottoposti a surgelazione e dell’aria circostante sono stati effettuati in un surgelatore a letto fluido, mediante un sensore appartenente alla serie di elaboratori HOBO U e ad alcune termoresistenze collegate a un multiacquisitore del tipo BABUC ABC. Mediante l’analisi termica è stato valutato l’andamento della temperatura dell’aria all’interno dell’impianto attraverso validazione sperimentale. Thermo-fluid-dynamic Analysis and Experimental Validation of a Flow-freezer Plant Aim of the present article has been the study of freezing processes for horticulture products and the systems used in a factory of conversion of the raw materials in frozen food. The measures of temperature of the products under freezing and the surrounding air, have been carried on in a flow-freezer. The instrument used to test the temperature is the HOBO U and also some thermo-resistances connected to a data logger BABUC ABC, have been used. Owing to the thermal analysis, the temperature trend of the air inside the system has been evaluated through an experimental validation. È essenziale, per un razionale processo di surgelazione, che la velocità di propagazione del fronte di ghiaccio all’interno del prodotto avvenga nel minor tempo possibile, compatibilmente con le sue caratteristiche [1, 2, 3]. Tempi di congelamento molto rapidi possono essere realizzati congelando il prodotto individualmente prima del suo confezionamento, in quanto la mancanza dell’imballaggio ed il diretto contatto con il mezzo raffreddante consentono di ottenere un efficace scambio termico. Per questo motivo il congelamento individuale dei prodotti, ormai noto come IQF (Individual Quick Freezing) ha assunto una importanza sempre maggiore. Attualmente, infatti, una vasta gamma di alimenti sono trattati con il sistema IQF, soprattutto quelli ortofrutticoli, in quanto i prodotti finali presentano un livello qualitativo elevato, oltre ad essere caratterizzati da facile dosaggio e rapido scongelamento. Per tali motivi è fondamentale il calcolo rigoroso della corretta durata del processo di surgelazione che dipende, da diversi fattori ed in particolare è legato alla massa di prodotto da congelare, al suo spessore, alla quantità di calore da sottrarre per raggiungere lo stato termico necessario, alla differenza di temperatura tra il prodotto ed il mezzo di raffreddamento, alla conducibilità termica ed al coefficiente di trasmissione del calore del prodotto ed infine in maniera determinante alla forma del corpo [4, 5, 6]. Le difficoltà connesse alla valutazione di tutti questi parametri hanno portato a diverse formule che consentono una stima veloce del tempo di congelamento, anche se spesso non accurata in quanto l’ipotesi princi- pale assunta è la mono-dimensionalità del flusso termico. Per tale motivo sono state effettuate prove sperimentali su un impianto di surgelazione a letto fluido volte a valutare sia il campo termo-fluidodinamico all’interno dell’impianto, sia l’andamento della temperatura dei prodotti nel corso del raffreddamento. I congelatori a letto fluido (Figura 1) si basano essenzialmente sul principio della fluidizzazione di prodotti di piccole dimensioni. Questa tecnica consiste nel far galleggiare ciascun pezzo individualmente in un flusso Figura 1 Congelatore a letto fluido Prof. Pasquale Catalano, prof. Flavio Fucci, prof. Ferruccio Giametta, prof. Giovanna La Fianza, Dipartimento SAVA, Facoltà di Agraria dll’Università del Molise, Campobasso. Tecnica 60 Termodinamica Applicata d’aria proveniente dal basso. Se uno strato di prodotto viene posto in una vasca dal fondo perforato ed è attraversato dal basso verso l’alto da una corrente d’aria, all’aumentare della velocità, il prodotto inizia a sollevarsi dal fondo. In particolare, se la velocità dell’aria è piccola, le particelle non vengono mosse, avendosi soltanto una piccola caduta di pressione nell’aria, dovuta alle ridotte perdite di carico incontrate nell’attraversamento dello strato di prodotto. Aumentando la velocità dell’aria la caduta di pressione aumenta in modo quasi parabolico e la massa di prodotto inizierà a muoversi: questa fase, detta di pre-fluidizzazione, termina quando la caduta di pressione raggiunge il valore massimo e la velocità assume un valore critico vmin detto di inizio fluidizzazione. Aumentando ancora la velocità, la caduta di pressione resta circa costante, mentre il letto di prodotto si espande: inizialmente i singoli pezzi si sollevano e ricadono sul fondo ed infine restano sospesi nel flusso di aria quando la velocità supera un determinato valore critico. In questo caso, quando, cioè, la fluidizzazione è completa, la caduta di pressione coincide con il peso totale del prodotto in sospensione e la massa si presenta come un fluido in ebollizione. Nel letto fluido si formano, inoltre, delle bolle d’aria che contribuiscono ad aumentare la turbolenza e, quindi, il coefficiente di scambio termico convettivo. Uno dei principali problemi che si possono verificare durante la fluidizzazione, soprattutto se si tratta di prodotti congelati che potrebbero aderire l’uno all’altro, è la non uniformità del letto di prodotto; infatti, se il prodotto tende a formare ammassi localizzati in alcuni punti, in altri si formano dei canali preferenziali per l’aria che provocano, pertanto, una caduta di pressione minore che nel caso di assenza di canalizzazione e, comunque, una sua diminuzione all’aumentare della velocità dell’aria oltre il valore critico Per la maggior parte dei prodotti fluidizzabili per evitare il fenomeno della canalizzazione è sufficiente raggiungere velocità abbastanza elevate, in modo da creare una turbolenza elevata, necessaria alla separazione fisica dei singoli prodotti, anche in assenza di una uniforme alimentazione dell’impianto Pertanto, poiché la conoscenza degli effetti delle diverse velocità sullo stato di fluidizzazione di differenti prodotti risulta di fondamentale importanza per la valutazione della efficienza di un impianto nonché per il suo dimensionamento, è utile introdurre un nuovo numero adimensionale (il numero di Froude Fr) che consente di effettuare delle valutazioni quantitative abbastanza accurate. Il numero di Froude esprime il rapporto tra le forze di gravità e la resistenza aerodinamica del prodotto, è dato da: dicembre 2011 la termotecnica dove v è la velocità dell’aria, d una dimensione caratteristica delle particelle solide sospese (normalmente il diametro del cerchio equivalente alla superficie media di proiezione dei prodotti), g l’accelerazione di gravità. Il valore ottimale è normalmente compreso tra 100 e 120. Un altro parametro fondamentale nel dimensionamento di un congelatore funzionante sul principio della fluidizzazione è l’altezza dello strato di prodotto, o, più precisamente, del suo peso complessivo in quanto all’aumentare di questo aumenta la caduta di pressione e, quindi, la prevalenza alla quale devono funzionare i ventilatori. L’elevato coefficiente di scambio termico raggiungibile (70150 W/m2K) rispetto agli altri sistemi ad aria forzata, è principalmente dovuto sia alla superficie di scambio che è la più estesa possibile in quanto coincidente con l’intera superficie esterna di ciascun prodotto, sia all’elevata turbolenza ottenuta che consente di massimizzare il coefficiente di scambio termico convettivo a parità di velocità relativa aria - prodotto. I congelatori a letto fluido sono costituiti da una lunga vasca in acciaio avente il fondo perforato, al di sotto del quale vengono alloggiati gli aeroconvettori. Il processo di congelamento si sviluppa in due fasi che avvengono in due zone diverse. Il prodotto entra dalla bocca di alimentazione e procede nella zona iniziale di congelamento in cui il flusso d’aria è più alto. In questa fase critica del processo, in quanto il prodotto è più fragile, si forma rapidamente la crosta del surgelato che minimizza la perdita di peso del prodotto, facendo in modo che l’aspetto e la qualità vengano conservati prima di procedere alla successiva e fase finale del congelamento. È proprio in questa zona che si ha la massima differenza di temperatura tra il mezzo raffreddante e il prodotto che incrementa la formazione della crosta di congelamento. Nel tratto successivo, che in genere occupa circa i due terzi della lunghezza del congelatore, la temperatura del prodotto continua a scendere in maniera tale da ottenere in uscita la temperatura voluta. Entrambe le zone possono essere controllate in maniera indipendente così che il flusso d’aria ed i livelli di temperatura possono essere variati in funzione del tipo di prodotto lavorato. L’aria che ha investito il prodotto, invece, prosegue il suo cammino verso l’alto, incontra le serpentine dell’evaporatore e viene di nuovo raffreddata per poi essere spinta dai ventilatori nuovamente sul prodotto (Figura 2). Figura 2 Distribuzione dell’aria Tecnica dicembre 2011 la termotecnica Termodinamica Applicata Questi impianti inoltre sono dotati di efficaci sistemi di sbrinamento, chiamati ADF (Air Defrost System), che consentono, grazie a forti getti d’aria, di eliminare la brina formatasi sulle bobine dell’evaporatore e che può ostruire il passaggio dell’aria (Figura 3). Ciò rende possibile il funzionamento continuo dell’impianto per 22 ore. Figura 3 - Air Defrost System L’utilizzo di un impianto di questo tipo consente in definitiva di ottenere numerosi vantaggi. In primo luogo abbiamo una piccolissima quantità di prodotto scartato a causa di schiacciamenti e ammassamenti, che possono essere ridotti fino all’1% o meno. Un altro importante beneficio deriva dalla grande funzionalità di questi impianti abbinata ad un ingombro modesto. Molto importante risulta essere anche il “design” che permette di ridurre i tempi di inattività associati alle operazioni di pulizia. Infatti tutte le superfici del congelatore sono lisce, inclinate e auto-drenante, rendendo più facile il lavaggio. Per quanto riguarda l’efficienza energetica, questi impianti sono in grado di congelare una maggiore quantità di prodotto per metro quadrato rispetto agli altri congelatori e di utilizzare minor energia per unità di prodotto lavorato in quanto il trasferimento di calore avviene molto rapidamente. Materiali e metodi Descrizione dell’impianto L’impianto sperimentale studiato, sito presso lo stabilimento Fruttagel Molise di Larino, è un surgelatore a letto fluido FLOWFREEZE M2 della Frigoscandia costituito da una cabina coibentata che racchiude un evaporatore in zincato a caldo, il sistema di sbrinamento ADF, tre ventilatori, due nastri IQF realizzati entrambi in poliacetale. Esternamente, invece, vi sono l’unità di alimentazione in ingresso e l’unità di scarico in uscita oltre che il pannello di controllo. Il surgelatore FLOWFREEZE M2 è realizzato sulla base di un brevetto Frigoscandia, il principio del letto fluidizzato, il quale comporta che il prodotto “galleggi” durante il passaggio nel surgelatore, sospeso da una forte corrente d’aria fredda ascensionale. In Figura 4 sono riportati i componenti principali dell’impianto. Figura 4 - Componenti principali del FLOWFREEZE M2 Il surgelatore è dotato di un flusso di aria 3D, che riduce il tempo di formazione della crosta di congelamento sul prodotto e la conseguente disidratazione, consentendo un congelamento rapido, controllato, igienico ed individuale di una vasta gamma di prodotti. Questa tecnica permette di selezionare le condizioni ottimali di congelamento a prescindere dalla consistenza, dalle dimensioni e dalla forma del prodotto. Il flusso d’aria 3D provoca una disidratazione inferiore rispetto al metodo convenzionale con del flusso 2D. Nel presente lavoro è stato analizzato un particolare processo di surgelazione avvenuto nell’impianto appena descritto. Per quanto riguarda la materia prima lavorata, si tratta di patate a cubetti 20x20x12 mm e 12x12x12 mm. Si sono ottenuti, attraverso prove sperimentali, i profili di temperatura nel tempo e nello spazio del prodotto e dell’aria di raffreddamento. I rilievi sulla temperatura dell’aria sono stati effettuati con un multi-acquisitore del tipo BABUC abc al quale sono state collegate 25 termoresistenze posizionate all’interno del surgelatore. I sensori utilizzati per la misura della temperatura dell’aria sono delle termoresistenze del tipo Pt100, dotate di un campo di misura che va da -50 °C a +70 °C, che sono state collegate al BABUC tramite ingressi analogici (7 contatti). Con un massimo di 25 termoresistenze attive contemporaneamente, si è pensato di posizionare le stesse in 5 sezioni diverse del surgelatore in maniera tale da averne 5 per ognuna di esse. Le sonde sono state alloggiate, equidistanziate tra di loro, su apposite barre d’acciaio fissate alle pareti laterali della camera (Figura 5). 37 61 Tecnica 62 Termodinamica Applicata Figura 5 - Alloggiamento delle sonde sulla barra d’acciaio prima del contatto con il prodotto Le barre sono state posizionate ad un’altezza di circa 20 cm dal nastro in maniera tale da rilevare la temperatura appena sopra il prodotto, ovvero quando quest’ultimo ha già scambiato il proprio contenuto termico con l’aria proveniente dal basso. I profili di temperatura nel tempo del prodotto sono stati ottenuti utilizzando un particolare dispositivo ottico, l’HOBO pro v2, in grado di registrare, ad intervalli di tempo stabiliti, la temperatura all’interno del surgelatore. In particolare il dispositivo, in ciascuna delle prove sperimentali eseguite, è stato immesso, unitamente al prodotto, dall’unità di alimentazione del letto fluido e recuperato dall’unità di scarico, in uscita. Quindi il sensore si muove liberamente all’interno del surgelatore insieme alla massa fluidizzata, registrando, pertanto, le reali temperature dei prodotti istante per istante. L’HOBO pro v2, modello U23-001, è provvisto oltre che di un sensore di misura della temperatura anche di un sensore in grado di rilevare l’umidità relativa, questi sono alloggiati all’interno di un involucro cilindrico in materiali polimerico, particolarmente resistente, al fine di evitare il loro danneggiamento. Essendo il sensore posizionato all’interno del contenitore protettivo le temperature da esso misurate e registrate sono relative a punti interni ai prodotti e non alla superficie. Figura 6 Dispositivo di misura HOBO pro v2 modello U23-001 Per poter poi visualizzare i dati registrati e permettere al sensore di comunicare con il PC, il dispositivo viene collegato ad una stazione ottica USB che converte il protocollo di comunicazione USB in un protocollo ad infrarossi utilizzato dal sistema di misura. dicembre 2011 la termotecnica Valutazione dati sperimentali Il ciclo di produzione è partito alle ore 14.00 del 22/09/2009 ed è terminato alle ore 6.00 del 23/09/2009. Con una quantità di materia prima pari a 665.46 quintali ed una resa media del 70.67% sono stati ottenuti circa 470.28 quintali di prodotto finito surgelato. Con i dati memorizzati dall’HOBO è possibile analizzare il processo di surgelazione del prodotto[7, 8]. Lo strumento ha consentito di studiare l’andamento della temperatura del cuore delle patate nel tempo [T=f(t)] dal quale si è passati, note le velocità , al plottaggio della [T=f(spazio)]. La cessione di energia termica da parte del prodotto avviene maggiormente nella prima parte della surgelazione che corrisponde al primo nastro, infatti la temperatura interna delle patate passa da circa 26 °C a quasi -5 °C con tempi abbastanza rapidi e quindi la formazione di microcristalli di ghiaccio, indici di una buona qualità del prodotto finale. Nel tratto successivo la temperatura continua a scendere ma in maniera meno rapida fino ad arrivare al contenuto termico desiderato. L’elaborazione dei dati ottenuti col BABUC ha permesso di analizzare l’andamento della temperatura dell’aria nel tempo e lungo la direzione di avanzamento del prodotto. In particolare il rilievo impostato per una durata di 8h ha consentito di valutare le temperature sia in presenza di prodotto che in assenza ovvero quando, durante il ciclo produttivo, c’è stato l’arresto dell’alimentazione dei cubetti di patate per passare da un formato all’altro. In Figura 7 si riporta la variazione della temperatuta dell’aria nel tempo per 5 sonde posizionate su 5 sezioni diverse del FLoFREEZE. Le curve appaiono ben distinte tra di loro, il che sta a significare che la temperatura varia di sezione in sezione. Ogni curva ha un andamento pressoché costante per un lungo tratto per poi variare bruscamente in un periodo ben preciso e tornare a stabilizzarsi ai valori precedenti. Questo periodo corrisponde al lasso di tempo, a partire dal minuto 240, in cui il surgelatore è rimasto vuoto e si nota come la temperatura si sia uniformata in tutte le sezioni attorno a -35 °C. In presenza del prodotto invece, ci si aspetta un andamento decrescente della temperatura dell’aria tra l’ingresso e l’uscita del surgelatore, infatti riportando i punti estrapolati dai rilievi in un istante ben preciso (Figura 8) si nota come questo andamento viene rispettato eccetto per il secondo punto che corrisponde alla sonda numero 8 posizionata sulla II sezione installata quasi a cavallo dei due nastri. Un’altra valutazione importante che può essere fatta analizzando i dati sperimentali è vedere l’andamento della temperatura lungo ciascuna sezione per capire se è garantita l’uniformità del campo lungo la larghezza del surgelatore. Tecnica dicembre 2011 la termotecnica Come visto in precedenza, in assenza di prodotto, la temperatura dell’aria è piuttosto omogenea per tutta la lunghezza del FLoFREEZE e, la stessa situazione si verifica lungo la direzione perpendicolare. Infatti plottando, in un determinato istante, la variazione di temperatura in funzione della larghezza dei nastri si ottengono curve come quelle mostrate in Figura 7. Durante il normale ciclo di surgelazione, invece, la situazione è quella illustrata in Figura 9. Termodinamica Applicata 37 63 Figura 7 Variazione della temperatura dell’aria nel tempo Conclusioni In questo lavoro sono stati evidenziati, attraverso dati sperimentali, gli andamenti delle temperature dell’aria e del prodotto considerato, all’interno di un surgelatore flow-freeze. In particolare è emerso che il profilo di temperatura dell’aria non è decrescente in maniera regolare tra l’ingresso e l’uscita dell’impianto così come ci si aspettava, bensì subisce un innalzamento localizzato nel passaggio da un nastro all’altro a causa dell’aumento della turbolenza del mezzo. Questa anomalia non influisce negativamente sul processo di surgelazione e quindi sulla temperatura finale del prodotto in uscita, tuttavia ulteriori approfondimenti, soprattutto sperimentali, sarebbero utili per osservare i casi in cui il disturbo considerato si annulla o assume dimensioni rilevanti tanto da incidere sulla temperatura dell’alimento surgelato. Bibliografia [1] G. Alfano and V. Betta, Fisica Tecnica, (Termodinamica applicata; Principi d’impianti termici), Liguori Editore, 1989. [2] F. Kreith, Elementi di Trasmissione del Calore, Liguori Editore,1989. [3] Y. A.Çengel, Termodinamica e Trasmissione del Calore, McGraw-Hill, 2008. [4] P. Rapin and Patrick Jacquard, Prontuario del Freddo, Ed. Hoepli, Milano, 1995. [5] P. Catalano, Dispense del corso di Macchine ed impianti per l’industria agro-alimentare, Università degli studi del Molise, 2009. [6] P. Catalano, La simulazione dei processi di raffreddamento rapido di prodotti agroalimentari, Ingegneria Agraria, 1994. [7] P. Catalano, F. Fucci, F. Giametta, G. La Fianza, Ca Termofluidodinamico In Sistemi di Surgelazione per Prodotti Ortofrutticoli; Report interno, Dipartimento SAVA, Sezione di Ingegneria & Ambiente, Università degli Studi del Molise. [8] Ashrae, Thermal Properties of Foods, 1989. Figura 8 - Temperature ricavate sperimentalmente per 5 sonde posizionate su 5 sezioni diverse in un preciso istante Figura 9 - Andamento della temperatura dell’aria lungo la larghezza del Flowfreeze in un preciso istante ed in presenza di prodotto