Radyo frekans yöntemi ile çözdürme işleminin matematiksel modellenmesi

Abstract

Dondurma prosesi gıda endüstrisinde, gıda ürünlerinin raf ömürlerinin artırılması ve kalitelerinin muhafaza edilebilmesi amacıyla yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Dondurulmuş ürünlerin tüketilebilmesi veya bir proseste kullanılabilmesi amacıyla sıcaklıklarının donma noktasının üzerinde bir sıcaklığa çıkartılarak çözdürülmesi gerekmektedir. Endüstriyel anlamda, en yaygın olarak kullanılan çözdürme sistemleri konveksiyonla ısı transferi temelinde çalışan sistemlerdir. Yaygın olarak kullanılan geleneksel yöntemlerde prosesin uzun sürmesi ve kalite kayıplarının ekonomik anlamda işletme maliyetlerini etkilemesi nedeniyle bu sistemlerin yerini alacak hızlı ve güvenli bir çözdürme metoduna ihtiyaç duyulmaktadır.Dielektrik ısıtma yöntemlerinden birisi olan radyo frekans (RF) uygulaması, mikrodalga uygulamaya göre penetrasyon derinliğinin fazla olması ve ürün içerisinde hacimsel ısı enerjisi oluşturma özelliği ile, konvansiyonel sistemlere göre uygulama potansiyeli yüksek olan bir yöntem olarak kabul edilmektedir. Literatürde, farklı geleneksel sistemler ve mikrodalga uygulamaları kapsamında çözdürme işleminin matematiksel modellenmesi konusunda çok sayıda çalışma bulunurken, RF çözdürme işleminin modellenmesi konusunda bir çalışmaya rastlanmamıştır. Bu temelde, bu çalışmanın amacı RF çözdürme işlemi sırasında ürün içi sıcaklık dağılımının ve RF sistem içerisinde meydana gelen elektriksel alan dağılımının belirlenmesi amacıyla bir matematiksel modelin geliştirilmesi ve bu modelin farklı RF sistemlerde elde edilen deneysel veriler kullanılarak doğrulanmasıdır.Bu kapsamda, RF çözdürme işleminin modellenmesi amacıyla COMSOL (Comsol V. 3.5 ve V. 4,4, Comsol AB, Stockholm, Sweden) çoklu fizik programı kullanılarak bir çözdürme modeli geliştirilmiş, bu model kapsamında ağ bağımsızlık çalışmaları yapılmış ve model sonuçları 50 Ω'luk RF sistemler ile serbest salınımlı RF sistem geometrilerinde deneysel veriler kullanılarak doğrulanmıştır. Belirtilen içeriği ile, bu çalışmanın, gıda endüstrisinde kullanılabilecek RF çözdürme sistemlerinin tasarımı ve optimizasyonu açısından önemli bir çalışma olduğu düşünülmektedir.

Freezing processes in food industry are applied to increase shelf-life of food products and preserve their quality during storage time and transport. Frozen food commodities, on the other hand, must be thawed at a certain temperature above their freezing point for consumption and further processing. Industrially used traditional thawing systems are based on the principle of convection heat transfer, and due to the longer thawing times experienced in these processes and quality losses, a faster and economically feasible thawing process is required.In this concept, radio-frequency (RF) application, a dielectric heating methodology, is accepted to have a certain potential compared to traditional systems with its longer penetration depth and ability to form volumetric heat generation inside the food products during processing. In the literature, there have been various mathematical modeling studies for traditional thawing systems and microwave processes while modeling studies about the application of RF thawing systems were not encountered. Therefore, the objective of this study was to develop a mathematical model to determine temperature distribution inside a frozen food product during thawing and electric field distribution inside the RF system and to validate this model with experimental data obtained from various RF systems. Based on this concept, an RF thawing model was developed using the COMSOL (Comsol V. 3.5 ve V. 4.4, Comsol AB, Stockholm, Sweden) multi-physics program, mesh independency studies were carried out, and the model was validated using the experimental data for 50 Ω and free running oscillator RF systems. With the given concept, this study was assumed to be significant for design and optimization of industrial RF thawing systems.