Development of novel microwave-assisted freeze-drying unit combined with natural working fluid-based refrigeration system for agriculture and marine foods

Ogólna charakterystyka

W ramach badań numerycznych, dane eksperymentalne z referencyjnej jednostki FD zostaną wykorzystane do opracowania, a następnie zweryfikowania numerycznego modelu CFD komory FD. W modelu uwzględnione zostaną: proces zamrażania próbek żywności, proces narastania lodu w pułapce lodowej, proces wymiany ciepła i masy oraz przepływu powietrza wewnątrz komory. Z tego powodu trójwymiarowa geometria komory i siatka numeryczna zostaną wygenerowane w oprogramowaniu ICEM CFD przy użyciu wysokiej jakości strukturalnej siatki. Następnie komercyjne oprogramowanie ANSYS Fluent zostanie użyte do symulacji analizy przepływu płynu w połączeniu z transportem ciepła i masy oraz procesem przemiany fazowej w próbce żywności. Proces sprzężenia przepływu płynu z wymienionymi zjawiskami zostanie opracowany przy użyciu programu C-code skompilowanego w oprogramowaniu Fluent jako funkcja zdefiniowana przez użytkownika (UDF). Opracowane podejście CFD zostanie zweryfikowane, a analiza wrażliwości siatki zostanie przeprowadzona, aby uniknąć wpływu siatki numerycznej na kluczowe parametry, takie jak rozkład ciśnienia i temperatury. Na koniec zostanie wybrane rozwiązanie numeryczne w stanie nieustalonym i sterowanie rozwiązaniem w celu utrzymania najlepszych wyników symulacji w rozsądnym czasie symulacji. Model CFD zostanie zwalidowany na podstawie wyników badań eksperymentalnych. Procedura walidacji zostanie przeprowadzona dla różnych próbek żywności pochodzących z rolnictwa i produktów morskich. Zdefiniowana dokładność modelu CFD pozwoli na wykonanie procedury projektowania bloku MW połączonej z blokiem FD w ramach działań kolejnego zadania badawczego.

Dostarczanie ciepła w jednostce wykorzystującej mikrofale powinno być zbilansowane z szybkością suszenia produktu spożywczego, dlatego opracowanie modelu CFD jest niezbędne do sterowania urządzeniem grzewczym WM i utrzymania dobrej jakości produktu spożywczego. Najważniejsze znaczenie dla ostatecznego projektu jednostki ogrzewanej przy użyciu MW będzie miał transport ciepła promieniowania mikrofalowego. W związku z tym opracowany zostanie model numeryczny CFD uwzględniający to zjawisko, który posłuży do zbadania rozkładu temperatury wewnątrz komory FD, a także wewnątrz próbki żywności. Ponadto zostanie przeprowadzona analiza procesu przemiany fazowej w próbce żywności. Znaczne naprężenia mechaniczne próżniowej komory MWFD będą silnie wpływać na konstrukcję urządzenia. W związku z tym badanie mechaniczne zostanie przeprowadzone w oparciu o analizę strukturalną podczas procesów próżniowania i suszenia. Ponadto analiza procesu suszenia zostanie wykonana w ramach ścisłej współpracy NTNU i SUT na podstawie wyników uzyskanych z opracowanego modelu CFD w WP1 połączonego z analizą mechaniczną.