Estudo da transferência de calor em tanque submerso: influência do modo e da intensidade da agitação da água

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos.

O resfriamento por imersão é um processo comumente utilizado para reduzir a temperatura de alimentos como carcaças de frango, frutas e hortaliças. Neste trabalho foram estudados alguns fatores que influenciam a evolução temporal da temperatura do centro do produto durante o resfriamento por imersão. Para a realização dos experimentos utilizou-se uma esfera maciça de alumínio como meio modelo. Os parâmetros avaliados foram a homogeneidade da agitação da água e as influências da intensidade (variando a vazão de ar comprimido injetado) e do modo (por bomba ou por bomba e ar, do próprio ambiente, para a recirculação da água) da agitação da água. O coeficiente médio de transferência de calor convectivo foi obtido por diferentes métodos: método da capacitância global, método analítico e método numérico. Também foi analisada a força resultante que age sobre a esfera devido a agitação promovida. Tentou-se correlacionar através de modelos logarítmicos a média e o desvio padrão da curva temporal da força resultante com o coeficiente médio de transferência de calor convectivo a fim de universalizar os resultados. O uso do método da capacitância global não se mostrou apropriado, pois não foi possível desprezar os gradientes internos de temperatura na esfera. Então, foram utilizados os métodos analítico e numérico para a determinação do coeficiente médio de transferência de calor convectivo, sendo que estes métodos não apresentaram diferença entre os resultados. O incremento da vazão de ar comprimido proporcionou menores tempos de resfriamento, ou seja, maior troca térmica entre o fluido e a superfície da esfera. Porém, o aumento da vazão de ar comprimido não é linearmente proporcional ao aumento do coeficiente médio de transferência de calor convectivo. O comportamento da curva de agitação versus h tende a uma assíntota, o que significa que em um determinado momento o aumento da agitação não mais proporcionará um aumento significativo no processo de troca térmica. Comparando as diferentes posições da esfera no tanque de imersão durante o resfriamento observou-se a existência de heterogeneidade na agitação. A generalização dos resultados, através de correlações entre o coeficiente convectivo médio de transferência de calor e valores da média e desvio padrão das curvas de força resultante, é bastante complexa, pois este coeficiente é influenciado por diversos fatores. Entretanto, um sistema de medição de força previamente calibrado pode fornecer bons resultados a respeito do processo de resfriamento sendo uma alternativa prática e rápida para ser utilizada em uma indústria. The immersion chilling is a process usually used to reduce foods temperatures as that of chicken carcasses, fruits and vegetables. In this work some factors that influence the temperature evolution of the product center during the immersion cooling was studied. To perform the experiments a massive aluminum sphere was used as model product. The evaluated parameters were the agitation homogeneity of the water and the influence of the intensity and the agitation mode over this parameter. The intensity was evaluated by varying the injected compressed air and the mode by pumping the water, first recirculating it with a simple pump and second by incorporating air by means of a Venturi device. The average convective heat transfer coefficient was obtained by different methods: lumped method, analytical method and numerical method. Also the resultant force that acts on the sphere due to the promoted agitation was analyzed. It was tried to correlate the average and the standard deviation of the resultant force curve with the average convective heat transfer coefficient through logarithmic models in order to universalize the results. The use of the lumped method was not appropriate, because it was no possible to disdain the internal temperature gradients in the sphere. The analytical and numerical methods were then tried to determine the average convective heat transfer coefficient. These methods had not presented difference between the results. The incrementation of the compressed air flow lead to minors cooling times, or either, greater thermal changes between the fluid and the sphere surface. However, the increase of the compressed air flow is not linearly proportional to the increase of the average convective heat transfer coefficient value. The behavior of the agitation curve versus h tends to an asymptote, which means that in one definite moment the agitation increase will not more provide a significant increase in the thermal exchange process. Comparing the different positions of the sphere in the immersion tank during the cooling it was observed the existence of heterogeneities in the agitation. The generalization of the results, through correlations between the average convective heat transfer coefficient and values of the average and standard deviation of the resultant force curves, is much more complex, because this coefficient is influenced by diverse other factors. However, a previously calibrated system of resultant force measurement can supply good results about the cooling process, being an practical and fast alternative to be used in industry.