Modelado y simulación de un horno eléctrico convectivo

S.M. GOÑI; V. O. SALVADORI

Buenos Aires

Congreso; XV Congreso Argentino de Ciencia y Tecnología de Alimentos, CYTAL; 2015

AATA

El objetivo del presente trabajo fue desarrollar un modelo de la fluidodinámica dentro de un horno eléctrico. Durante el horneado el movimiento del aire es el responsable primario de la transferencia de energía (junto a radiación) y materia hacia y desde el producto. La fluidodinámica del horno permite obtener principalmente el campo de velocidades dentro del mismo, y junto a ecuaciones de transporte de energía y materia (vapor de agua) construir un modelo completo del sistema en estudio. En este trabajo se consideró un horno ARISTON, con una cámara de 0.435×0.39×0.36 m (ancho, profundidad y altura), usando el modo de cocción convencional, donde dos resistencias calientan el aire dentro del horno y su movimiento se produce por convección natural. En este estudio preliminar se usó el software COMSOL, representando el sistema con una geometría bidimensional, de 0.36 m de altura, y 0.2175 m de ancho (sin alimentos en su interior, para centrar el estudio en el aire). Se utilizó un modelo de flujo laminar y el balance de energía se acopló a las ecuaciones de Navier-Stokes. Las fuerzas que determinan el movimiento del fluido se introdujeron usando la aproximación de Boussinesq. Como condiciones de contorno se estableció velocidad nula en el techo, el piso y la pared, y simetría en el lado opuesto a la pared. Para el balance de energía se impuso la temperatura en el techo y el piso, y simetría en el centro; en la pared se estableció pérdida de energía por convección, usando un coeficiente de transferencia efectivo. Se realizaron diferentes simulaciones, usando diferentes combinaciones de temperaturas del techo y el piso (iguales y diferentes), prendidas/apagadas (temperatura impuesta o flujo nulo), distintos valores del coeficiente efectivo de transferencia, diferentes mallados, etc. El modelo pudo ser resuelto, con mayor o menor dificultad, en todos los casos. Finalmente el modelo se alimentó con datos experimentales de temperaturas del piso y del techo. La temperatura establecida en el horno fue de 100ºC, y la temperatura en el piso del mismo sobrepasó los 220ºC, hasta que comenzó a actuar el sistema de control del mismo; luego varió entre 120 y 160ºC con periodos de aprox. 9 min, mientras que la temperatura en el techo lo hizo entre 110 y 130ºC. El tiempo de simulación de 1 hora de proceso fue menor a 5 min, usando 25.000 elementos y 160.000 incógnitas. La temperatura media experimental en el centro fue de 109.3ºC, y la simulada de 113.5ºC, ambos valores presentaron grandes amplitudes de variación: 12.2ºC la experimental y 28.2ºC la simulada. El modelo resultó efectivo para simular el comportamiento del horno; sin embargo dadas las grandes variaciones de temperaturas y la variación temporal de las condiciones de contorno, el modelo laminar y la aproximación de Boussinesq están al límite de sus posibilidades. Por este motivo se prevé en futuros trabajos incorporar el uso de modelos de turbulencia.