Modelado matemático de la transferencia de energía en los procesos de calentamiento y descongelación por microondas

CAMPAÑONE L; ZARITZKY N

Rosario, Argentina

Workshop; Workshop on mathematical modelling of energy and mass transfer processes, and applications; 2005

La utilización de equipos de microondas tanto para la descongelación como para el calentamiento de alimentos, ha ido creciendo en los últimos años. La congelación es un método muy difundido y eficiente de preservación de alimentos; la industria suele conservar sus materias primas en forma congelada y los procesos de descongelación empleados habitualmente son muy lentos, con el riesgo de crecimiento microbiano, deterioro del producto y excesiva pérdida de agua causada por exudado. El empleo de microondas para la descongelación acelera el proceso ya que aumenta la velocidad de calentamiento de los productos, debido a su capacidad de generar energía dentro del sistema por interacción de la radiación electromagnética con las moléculas de agua. Si embargo, durante la descongelación y el calentamiento de alimentos con microondas se generan algunos problemas asociados a la distribución de la temperaturas dentro del sistema. Uno de los inconvenientes más importantes es la aparición de puntos calientes en distintas zonas, lo cual depende fuertemente de la geometría del producto. En el caso de la descongelación, los problemas asociados a la desigual distribución de temperaturas  están además generados por la absorción preferencial de la energía electromagnética por parte del agua no congelada, debido a las diferencias entre sus propiedades dieléctricas y las correspondientes al hielo (“runaway”); durante la descongelación puede ocurrir que mientras el hielo aun permanezca en algunas zonas, en otras el agua líquida se evapore y el producto se seque. Este ha sido un factor determinante en la aplicación de la tecnología de microondas a nivel industrial Con el fin de caracterizar las distribuciones de temperatura dentro de los productos, se ha abordado la simulación matemática del calentamiento y descongelación con el empleo de microondas a través de la solución numérica de las ecuaciones diferenciales a derivadas parciales en estado transiente, lo cual  proporciona una descripción del comportamiento del material durante el proceso. Al respecto se analizó el calentamiento de productos alimenticios con distintas propiedades térmicas y dieléctricas, y se consideraron alimentos de tamaños similares a los que se usan industrialmente. Para describir el  término no lineal de generación interna que representa la absorción de energía electromagnética, se ha empleado la aproximación de la Ley de Lambert, válida en sistemas de gran tamaño para los cuales se obtienen resultados equivalentes a los calculados por la aplicación de las leyes de Maxwell. Dicha ley considera la potencia superficial y el factor de atenuación que a su vez es función de la constante dieléctrica y del factor de pérdida. La solucion numérica del balance térmico se obtuvo empleando un método de diferencias finitas implícito en sistemas unidimensionales y un método de dirección alternante en sistemas bi y tridimensionales. Se utilizaron en la simulación, propiedades térmicas y dieléctricas del alimento, variables con la temperatura. En el caso de calentamiento el modelo ha permitido analizar el efecto de la geometría, en la posición de los puntos calientes del sistema, simulando la transferencia térmica en esferas, cilindros finitos y paralelepípedos. Los resultados mostraron que los máximos de temperatura en cilindros y esferas se localizaban en los correspondientes centros geométricos, mientras que en el caso de paralelepípedos los puntos calientes se producían en los vértices. Para el caso de descongelación, se simularon a distintos tiempos, los perfiles de temperatura en el alimento; asimismo se analizó el efecto de diferentes factores en los tiempos de proceso, tales como presencia de grasa en el alimento, utilización de aire forzado, potencia aplicada, y ciclos de encendido y apagado del equipo . En todos los casos los perfiles de temperatura predichos fueron validados con datos experimentales obtenidos en nuestro laboratorio y datos publicados en la literatura. El  modelo numérico ha podido emplearse satisfactoriamente como una herramienta de diseño y optimización del proceso de calentamiento y descongelación de alimentos con microondas a los efectos de obtener productos de alta calidad.