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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.3.2012.tde-06062013-165230
Document
Author
Full name
Ewerton Shimara Pires Ferrão
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2012
Supervisor
Committee
Gut, Jorge Andrey Wilhelms (President)
Cabral, Renato Alexandre Ferreira
Tadini, Carmen Cecília
Title in Portuguese
Modelagem e validação da transferência de calor e da distribuição de temperatura no processamento térmico contínuo de alimentos líquidos em trocadores bitubulares.
Keywords in Portuguese
Letalidade
Pasteurização
Processamento térmico
Transferência de calor
Trocador de calor
Abstract in Portuguese
O processamento térmico contínuo usando trocadores de calor é uma forma muito comum de industrialização de alimentos líquidos. Atrelada à inativação de micro-organismos e enzimas pela alta temperatura, está a perda de qualidade do produto; portanto, o estudo e avaliação deste tipo de processo é fundamental para garantir a inocuidade e a melhora da qualidade do produto. Neste trabalho foi desenvolvida a modelagem matemática de um processo térmico contínuo em trocadores bitubulares para determinação da distribuição da temperatura média do produto e da letalidade sobre um atributo de segurança ou qualidade. No modelo, foram considerados os trocadores de aquecimento e de resfriamento, bem como o tubo de retenção. Admitiu-se regime permanente, escoamento pistonado e leva-se em conta a troca de energia com o ambiente. Para a aplicação do modelo, foi adotado um sistema em escala de laboratório com vazão de processamento entre 10 e 50 L/h, trocadores com quatro módulos de troca térmica e área total de 0,13 m² e sistema de indicação e aquisição de dados de temperatura. Como fluidos de trabalho foram usados: mistura de glicerina/água 80 % (Newtoniano) e solução 1 % de carboxi-metil-celulose (CMC, não-Newtoniano). Fluidos e utilidade foram água quente pressurizada e água gelada. Os parâmetros de troca térmica do modelo foram ajustados com sucesso através de ensaios experimentais. Foram ajustados: 1) coeficientes de convecção natural do ar sobre as seções de aquecimento e de resfriamento; 2) parâmetros da correlação de Nusselt x Reynolds para o coeficiente de convecção dos fluidos de trabalho; 3) coeficiente global de troca térmica com o ambiente no tubo de retenção. A validação do modelo ajustado foi realizada através da comparação das distribuições de temperatura experimental com a predição do modelo. A letalidade, levando em conta o tempo espacial no percurso do produto foi calculada e avaliada, indicando importante contribuição da seção de aquecimento e forte influência da elevação de temperatura na entrada do tubo de retenção para compensar as perdas para o ambiente. O modelo proposto mostra-se útil para a avaliação de processos térmicos em sistemas tubulares.
Title in English
Modeling and validating the heat transfer and distribution of temperature in the continuous thermal processing of liquids in heat exchangers bitubulares.
Keywords in English
Heat exchanger
Heat transfer
Lethality
Pasteurization
Thermal processing
Abstract in English
The continuous thermal processing using heat exchangers is a very usual form of industrialization of liquid foods. Linked to the inactivation of microorganisms and enzymes by high temperature is the loss of product quality; thus, the study and evaluation of this type of process is critical to ensure the safety and improve product quality. In this work, it was developed a mathematical model of a continuous process with tubular heat exchangers to determine the distribution of the average temperature of the product and the lethality considering a safety or quality attribute. In the model, are considered the exchangers for heating and cooling and the holding tube. It was assumed steady state plug-flow and it was taken into account the energy exchange with the ambient air. For the application of the model, it was adopted a laboratory system with processing flow rate between 10 and 50 L/h, exchangers with four heat transfer modules and total area of 0.13 m² and a temperature indication and acquisition system. The working fluids used were: a mixture of glycerol/water 80 % (Newtonian) and a 1 % solution of carboxymethylcellulose (CMC, non-Newtonian). Utility fluids were pressurized hot water and cold water. The heat transfer parameters of the model were adjusted successfully using the experimental data. Were adjusted: 1) the coefficients of natural convection of the air over the heating and cooling sections; 2) the parameters of the Nusselt x Reynolds correlation for the convective coefficient of the working fluid; 3) the overall heat exchange coefficient between the product and the ambient air in the holding tube. The validation of the fitted model was performed by comparing the experimental temperature distributions with the prediction from the model. Lethality, taking into account the space-time in the path of the product was calculated and evaluated, indicating a significant contribution of the heating section and a strong influence on the temperature rise in the entrance of the holding tube to compensate for losses to the surroundings. The model proves useful for the evaluation of thermal processes in tubular systems.
 
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Publishing Date
2013-06-12
 
WARNING: The material described below relates to works resulting from this thesis or dissertation. The contents of these works are the author's responsibility.
  • DANTAS, J.A.T.A., FERRÃO, E.S.P., e GUT, J.A.W. Validação do modelo térmico de um pasteurizador bitubular para processamento de líquidos viscosos através do ajuste da condutividade térmica efetiva. In XIX Congresso Brasileiro de Engenharia Química, Búzios, 2012. Anais do Congresso Brasileiro de Engenharia Química.São Carlos : Cubo Multimidia, 2012.
  • DANTAS, J.A.T.A., FERRÃO, E.S.P., and GUT, J.A.W. Model validation of continuous thermal processing of a pseudoplastic food under non-ideal laminar conditions. In EFFOST Annual Meeting, Berlim, 2011. 2011 EFFoST Annual Meeting Abstracts.Berlim : Elsevier, 2011. Abstract.
  • FERRÃO, E.S.P., DANTAS, J.A.T.A., e GUT, J.A.W. Modelagem e validação de histórico de temperatura no processamento térmico contínuo de alimento líquido. In 9º Simpósio Latino Americano de Ciência dos Alimentos, Campinas, 2011. 9º SLACA.Campinas : Unicamp, 2011. Resumo.
  • FERRÃO, E.S.P., FUNCIA, E.S., e GUT, J.A.W. Determinação dos coeficientes de tranferência de calor envolvidos no processamento térmico contínuo em trocador duplo-tubo. In 9º Simpósio Latino Americano de Ciência dos Alimentos, Campinas, 2011. 9º SLACA.Campinas : Unicamp, 2011. Resumo.
  • FUNCIA, E.S., FERRÃO, E.S.P., e GUT, J.A.W. Coeficientes de transferência de calor no processamento térmico de líquidos viscosos em pasteurizador bitubular. In 19 Simpósio Internacional de Iniciação Científica da USP, São Carlos, 2011. 19 SIICUSP., 2011. Resumo.
  • PEGORARO, P.R., FERRÃO, E.S.P., and GUT, J.A.W. Evaluation of a continuous thermal processing unit through residence time and temperature distributions. In EFFOST Annual Meeting, Berlim, 2011. 2011 EFFoST Annual Meeting Abstracts.Berlim : Elsevier, 2011. Abstract.
  • PEGORARO, P.R., FERRÃO, E.S.P., e GUT, J.A.W. Letalidade de processo térmico contínuo através do histórico de temperatura e da distribuição do tempo de residência. In 9º Simpósio Latino Americano de Ciência dos Alimentos, Campinas, 2011. 9º SLACA.Campinas : Unicamp, 2011. Resumo.
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