Simulación Numérica Del Proceso Industrial De Congelación De Alimentos De Origen Marino Utilizando El Metodo De Elementos Finitos

M.V. SANTOS; J. DIMA; A. CALIFANO; P. BARON; N ZARITZKY

Lima

Congreso; CAIP2013; 2013

Pontificia Universidad Católica del Perú

En  Argentina la explotación de cangrejos marinos constituye una actividad industrial incipiente. Las especies Ovalipes trimaculatus y Danielethus patagonicus presentan un fuerte potencial para su exportación y comercialización en el mercado interno. Una de las principales maneras en que pueden ser comercializados es como productos congelados (Codex Alimentarius, 1983). Por esta razón es importante conocer los tiempos de proceso. Los objetivos del trabajo fueron: a) simular numéricamente el proceso de congelación de pulpa y pinzas de cangrejo cocidas mediante  el método de elementos finitos, b) validar los modelos mediante  experimentos de congelación en túnel a escala industrial. En particular  se analizó la congelación de sistemas complejos tales como carne de cangrejo cocida envasada al vacío en películas plásticas utilizando la formulación Entálpica y de Kirchhoff. En el caso de las pinzas de cangrejo cocida que incluyen la capa externa  calcárea se utilizó el calor específico aparente, que incluye el cambio de fase, mediante la suma de las funciones Heaviside y Gaussiana, lo cual genera una función más suave en todo el rango de temperaturas especialmente en la zona de cambio de fase, evitando inestabilidades en la resolución numérica.  Estos sistemas además de su geometría irregular presentan composición heterogénea multicapa (constituida por diversos materiales en serie).La simulación numérica del proceso de congelación permite estudiar los efectos  de variables tales como  temperatura y velocidad del aire refrigerante, temperatura inicial del producto, etc., en los tiempos de proceso. Asimismo, la geometría es importante cuando se requieren determinar los tiempos de congelación de manera precisa siendo el método de los elementos finitos la técnica numérica más útil para simular geometrías irregulares (Zienkiewics y Taylor, 1994). Simular numéricamente el proceso de transferencia de energía con cambio de fase, como es el caso de la congelación implica resolver un problema matemático fuertemente no lineal dado que las propiedades termofísicas del alimento intervinientes en la ecuación diferencial (conductividad térmica, calor específico y densidad) son función de la temperatura (Pham 2008, Santos y col., 2010). La variación de estas propiedades termofísicas con la temperatura es muy abrupta debido a la conversión de agua en hielo dentro del alimento durante la congelación. Para el estudio se tuvieron en cuenta las propiedades termofísicas del alimento, los coeficientes de transferencia de calor, la geometría del producto, temperatura del fluido externo, velocidades del aire. Para la validación experimental de las simulaciones computacionales se congelaron muestras de los productos en túnel registrando las historias térmicas tanto en el producto como en el aire refrigerante. El contorno irregular del objeto se obtuvo mediante imágenes digitales. Se simuló numéricamente la temperatura en función del tiempo en todo el producto, especialmente en el punto más caliente. Se alimentaron los coeficientes de transferencia de calor adecuados según la interfase considerada (contacto producto-placa metálica e interfase producto-aire). Las predicciones concordaron satisfactoriamente con resultados experimentales permitiendo determinar adecuadamente los tiempos de congelación a nivel industrial. Las simulaciones computacionales constituyen herramientas útiles para aplicar la tecnología de congelación a productos marinos que presentan un alto potencial tanto para su exportación como comercialización en la región.