Estudo e modelagem da transferência de calor em um processo de pasteurização em sistema tubular. - Russo, Guilherme (2019)
A produção de alimentos seguros, com alto valor nutricional e sensorial, é essencial para a satisfação dos consumidores. O processamento térmico tem como objetivo inativar microrganismos patogênicos e deterioradores, e enzimas por meio de alta temperatura, mas evitando alterações indesejadas na qualidade do produto final. Este trabalho tem como objetivo propor uma modelagem matemática para representar o tratamento térmico contínuo de alimentos líquidos em uma unidade piloto de pasteurização tubular com relação à distribuição de temperatura do produto, determinando coeficientes individuais de transferência de calor nas seções de aquecimento, retenção e resfriamento, e validar experimentalmente o modelo desenvolvido. A unidade piloto em estudo é equipada com um tubo de retenção e utiliza dois trocadores de calor tipo serpentina em casco em contracorrente para os processos de aquecimento e resfriamento. Utilizaram-se três fluidos modelos para o estudo da distribuição de temperatura, sendo dois fluidos Newtonianos (água e mistura glicerina/água 80% w/w) e um não-Newtonianos (solução aquosa de carboximetilcelulose, CMC 1% w/w), com o objetivo de simular fluidos alimentícios. Foi introduzido no modelo um fator de aumento com o objetivo de simular tubulações helicoidais como tubos retos, facilitando a modelagem do processo. O coeficiente global de troca térmica e os fatores de aumento foram determinados experimentalmente variando a temperatura de processo, de 60 a 120 °C com passo de 15 °C, e a vazão de 0,4 a 2,0 L/min com passo de 0,4 L/min. Foram propostas seis correlações semiempíricas para os coeficientes globais de troca térmica e três correlações para os fatores de aumento, em que ambos são dependentes dos números de Reynolds e Prandlt, ajustados pela minimização da soma do erro quadrático para as cada uma das seções em estudo. Os perfis de temperatura na parede e no centro do tubo, e temperatura média do fluido produto e utilidade ao longo das seções estudadas foram determinados pela modelagem bidimensional de escoamento e troca de calor. O perfil de temperatura média no tempo médio de residência do processo foi determinado pelo método das diferenças finitas. Foram realizados ensaios de validação que posteriormente foram comparados com os valores simulados utilizando as correlações do coeficiente global de troca térmica e fator de aumento determinadas anteriormente. Os resultados da validação foram satisfatórios, em que a maior diferença entre a temperatura experimental e prevista foi de 4 °C.