Numerical simulation of tylose packages freezing time

Abstract

A tylose é um material composto majoritariamente por água e metilcelulose usado como modelo de alimento em experimentos devido a similaridade das suas caracaterísticas termofísicas às da carne magra. Este trabalho apresenta o estudo do tempo de congelamento de pacotes de tylose de formato retangular. Testes experimentais foram realizados utilizando um refrigerador doméstico no-frost como o meio para congelamento dos pacotes de tylose, os testes consideraram dois pacotes sozinhos e duas pilhas com dois pacotes cada. Uma abordagem combinando um modelo CFD (Dinâmica dos Fluidos Computacional), um modelo 1D e um modelo de otimização foi usado para estimar as propriedades termofísicas do material de tylose. Um modelo simplificado de CFD considerando apenas o compartimento do freezer foi utilizado para simular as condições do teste e definir o coeficiente global de transferência de calor (UA) de cada uma das superfícies dos pacotes presentes nos testes experimentais. Então um modelo 1D representando o pacote como uma combinação de um elemento capacitor térmico, de elementos condutores térmicos e elementos convectivos foi construído para simular o tempo de congelamento. Como as propriedades termofísicas destes pacotes são desconhecidas, um modelo de otimização foi construído para defini-las usando uma função objetivo que buscava reduzir a diferença entre os resultados experimentais obtidos in loco e simulados em pontos definidos durante o tempo de congelamento. Os resultados mostraram uma boa correlação para os pacotes sozinhos com as propriedades termofísicas obtidas através da otimização que não considerou os pacotes empilhados, mostrando boa aderência da curva de congelamento e uma diferença de -2.4% e -3.2% entre os testes experimentais e a simulação. Contudo, o resultado dos pacotes empilhados mostrou uma diferença maior, muito provavelmente devido a dificuldade na modelagem do contato entre os pacotes e também entre o pacote e a superfície do compartimento congelador.

Tylose is a material composed mostly of water and methyl cellulose used as food model in experiments due to its thermophysical properties similarity to the lean beef. This work presents a study of the freezing time of tylose rectangular shaped packages. Experimental tests were performed using a no-frost household refrigerator as the mean for freezing the tylose packages, the test considered two standalone packages and two stacks of two packages each. An approach combining a CFD (Computer Fluid Dynamics) model, a 1D model and an optimization model were used to estimate the thermophysical properties of the tylose material. A simplified CFD model considering only the freezer compartment was used to simulate the tested conditions and define the global heat transfer coefficient (UA) for each of the surfaces of the packages present in the experimental tests. Then a 1D model representing the package as a combination of a thermal capacitor element, thermal conductor elements and convective elements was built to simulate the freezing time. Since the thermophysical properties for these packages are unknown an optimization model was built to define them using a objective function that aimed to reduce the difference between the experimental and simulated results at defined points along the freezing time. The results showed a good correlation for the standalone packages with the thermophysical properties obtained from the optimization that did not consider the stacked packages, showing a good adherence of the freezing curve and a difference of -2.4% and -3.2% between experimental and simulation tests. However the stacked packages results showed a larger difference most probably due to a gap in the modeling of the contact between packages and also between package and freezer compartment surface.