Sıvı ve katı-sıvı karışımlar içeren yatay konservelerde ısı transferinin iki boyutlu benzetimi

Abstract

Konserve gıdalarda ısıl işlemlerin yeterliliğinin test edilmesinde simülasyonların kullanımı tercih edilen bir yöntem olup, simülasyonlar proses optimizasyonunda da önemli rol oynamaktadırlar. Proses optimizasyonunun yapılabilmesi için öncelikle ürün içerisindeki sıcaklık dağılımını ve buna bağlı olarak mikrobiyal ve kaliteyle ilgili parametrelerdeki değişimi belirleyen bir matematik modele ihtiyaç duyulmaktadır. Bunun dışında bu modelin hesaplamaları kısa sürede tamamlaması gerekmektedir ki kondüksiyonla ısınan ve sadece enerji denkliğinin kullanıldığı hesaplamalarda bile optimizasyon süreleri uzun olabilmektedir. Süreklilik, enerji ve momentum denkliklerinin çözümünün gerektiği konveksiyonla ısınan gıdalarda yapılan matematiksel optimizasyon çalışmalarına ise hesaplama süresinden dolayı halen rastlanmamaktadır.Dikey konservelerde eksensel simetri yaklaşımının kullanılabilmesi 2 boyutlu çözümlerin yapılabilmesine olanak sağlamakta ve simülasyon süreleri kısaltılabilmektedir. Ancak sıvı ürünler içeren yatay konservelerde dikey yöndeki doğal konveksiyonun etkisi nedeni ile bu yaklaşım yapılamamaktadır. Yatay yöndeki doğal konveksiyon etkisinin dikey yöndeki doğal konveksiyon etkisine göre ihmal edilebileceği gözönüne alınırsa sıvı ürün içeren yatay konservelerde de, eksensel simetri yaklaşımına gerek duyulmadan, 2 boyutlu yaklaşımların kullanılabileceği fikri ortaya çıkmaktadır. Bu kapsamda bu çalışmanın amacı sıvı veya katı-sıvı karışımlarından oluşan yatay konservelerde ısı transferinin simülasyonu için 2 boyutlu yaklaşımların kullanılabilirliğini araştırarak simülasyon sonuçlarını deneysel olarak doğrulamak ve benzetimlerin başarısına etki eden faktörleri belirlemektir.Simülasyonlar bölümünde süreklilik, enerji ve momentum denklikleri, 2 ve 3 boyutlu olarak sıvı (su ve karboksimetil selüloz) ve katı-sıvı karışımlar (su-bezelye) içeren yatay konserve sistemlerde Ansys CFX programı kullanılarak çözülmüş ve sonuçlar deneysel olarak doğrulanarak 2-boyutlu yaklaşımların kullanılabileceği belirlenmiştir. Sıvı veya katı-sıvı ürünler içeren yatay konservelerde ısı transferi benzetimlerinde hesaplama zamanını azaltma yönünde olan bu çalışmanın tamamlanması, simülasyon programlarının optimizasyon algoritmalarının da bu hesaplamalarla kombine olarak kullanılabilmesini sağlayacak ve literatürde halen hiç yapılmamış olan bu tür çalışmaların (literatürde bu konuda yapılan çalışmalar genelde kondüksiyon ile ısınan ürünler temelinde ve diğer ürünler içinse genel varsayımlar kullanılarak uygulanmaktadır) yapılmasına da bir temel teşkil edecektir.Anahtar Kelimeler: konserveleme, simülasyon, ısı transferi, doğal konveksiyon

Mathematical simulations are preferred for testing the efficiency of thermal processing during canning, and they are also known to play a significant role in process optimization. To carry out the related calculations, a mathematical model is required first to determine the temperature distribution inside the product and then to calculate the inactivation in microbial load and quality parameters. In addition, a faster solution is necessary for design and optimization of thermal processes. Use of axi-symmetric approach in vertical cans leads to apply 2 dimensional (2D) models resulting in rather short computational times. However, in horizontal cans, this approach is not possible due to the effect of natural convection in the radial direction. However, it would be possible to use 2D approaches in the horizontal cans without applying the axi-symmetric approach by neglecting the effect of natural convection in the horizontal direction. Therefore, the objective of this study is to simulate the heat transfer in horizontal cans containing liquid or solid-liquid mixtures and validate the simulation results with experimental results to demonstrate the use of 2D approaches.To demonstrate the use of 2D approaches in horizontal cans, experimental temperature measurements were performed to determine the effect of radial heat transfer, 2D CFD simulations were then carried out using Ansys CFX in a 2D circular cross-section of a can containing water, pea-water mixture and sodium carboxy-methyl cellulose (CMC). Experimentally obtained temperature distribution results were compared with simulation results for validation of the simulation models.With the completion of this study, optimization algorithms of the simulation programs will be used in combination with the simulation studies since the computation times will be reduced with the use of 2D approximations. This study is expected not only to be a significant contribution to the literature but also to form the fundamentals of an optimization study for convection-heated canned foods.Keywords: Heat transfer, Computational Fluid Dynamics (CFD), canning, horizontal cans