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Tecnica
dicembre 2011
la termotecnica
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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.
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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:
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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
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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).
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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.
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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.
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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.
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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