Sviluppo di un modello numerico termofisico di prodotti surgelati confezionati

Introduzione Una delle maggiori difficoltà durante la produzione dei prodotti surgelati riguarda la loro stabilizzazione e il mantenimento della catena del freddo durante tutte le fasi del processo produttivo. Tramite il seguente lavoro si propone di determinare a che temperatura e dopo quanto tempo, diverse tipologie di confezioni di surgelati (pisellini, melanzane e spinaci), raggiungono la temperatura ipotetica di inizio di scongelamento. Con lo scopo di analizzare, in maniera rapida ed economica, molte diverse combinazioni di tempo - temperatura dell’ambiente di produzione di diverse tipologie di prodotti surgelati (pisellini, melanzane e spinaci), sono stati sviluppati dei modelli numerici capaci di descrivere i fenomeni termici che intervengono durante il confezionamento dei prodotti. Materiali e Metodi Il modello sviluppatotiene conto sia dei fenomeni di convezione naturale che avvengono tra la superficie della confezione e il flusso esterno di aria, sia dei fenomeni di conduzione che interessano l'interno della confezione, la confezione (busta) ed il piano di appoggio. In figura vengono schematizzati i fenomeni termici presi in esame. La geometria del modelli rispecchia le reali dimensioni delle confezioni dei prodotti presi in esame. La mesh dei modelli 3D è costituita da elementi triangolari, posizionati sulle boundaries, tetraedrici e prismatici, posizionati in tutto il restante dominio. Trattandosi di trasferimenti di calore per superfici, nelle zone di interfaccia è stata adottata una mesh particolarmente fine. In figura viene riportata la mesh dell'intera geometria ed un particolare della mesh interna dove, i diversi colori indicano elementi tetraedrici o prismatici di diverse dimensioni. Per ottenere un accurato modello numerico è necessario descrivere nel modo più realistico possibile i materiali coinvolti, quindi è stato necessario descrivere i prodotti surgelati tramite le loro reali proprietà termiche in funzione della temperatura (conducibilità termica, calore specifico, diffusività termica). I valori delle proprietà termiche utilizzati nel modello tengono conto del fatto che il materiale interno alla busta è poroso, infatti è costituito da una "miscela" di aria e prodotto Successivamente sono state impostate le equazioni del modello e le condizioni al contorno. All'interno del volume della confezione, il trasfermiento del calore avviene per conduzione, mentre sulla superficie avviene per convezione, nelle zone esposte all'aria e per contatto nelle zone di contatto tra confezione e piano di appoggio. La validazione è stata effettuata riproducendo numericamente le medesime condizioni utilizzate durante la sperimentazione. I parametri tenuti in considerazione sono i seguenti: tipologia di confezione (definita numericamente dai parametri dimensionali), tipologia di prodotto (contraddistinto da specifiche proprietà termo-fisiche), temperatura della cella di conservazione, tempo di conservazione, temperatura iniziale all'interno della confezione pari. Risultati In figura viene riportato un esempio di configurazione dell’andamento della temperatura all’interno della confezione di pisellini dopo 20 minuti di condizionamento a 5°C. E’ possibile osservare che la temperatura della parte di confezione a diretto contatto con il piano di acciaio, raggiunge zero gradi (zona rossa), mentre la parte centrale della confezione si mantiene sui -22°C (zona blu). Con lo scopo di simulare la conservazione della confezione posizionata verticalmente, è stata eliminata la condizione di contatto tra piano d'acciaio e confezione. E’ possibile osservare che, in questo caso, la variazione della temperatura nei diversi punti della confezione è meno elevata, infatti la temperatura massima registrata è pari a circa -8°C (zona rossa), mentre la parte centrale della confezione si mantiene sui -22°C (zona blu). La confezione di melanzane è risultata essere la meno adatta al mantenimento della temperatura in quanto è caratterizzata da un ampia area di contatto con il piano e da uno spessore abbastanza limitato; la confezione che mantiene la temperatura più a lungo è quella costituita dagli spinaci, anche se le temperature medie delle confezioni di spinaci e pisellini sono pressoché simili. A fronte dei risultati ottenuti confrontando gli andamenti della temperatura delle tre differenti confezione, è stato valutato l'effetto del volume della confezione sull'andamento della temperatura media e al centro della confezione. Le prove sono state effettuate dimezzando e aumentando del doppio il volume della confezione di pisellini. Differenze significative sono state riscontrate solo tra la confezione standard e quella con volume raddoppiato. Dalla validazione sperimentale è risultato che il modello che meglio si adatta ai dati sperimentali è quello relativo ai pisellini, probabilmente perché il prodotto all'interno della confezione è distribuito in maniera piuttosto uniforme. Nelle confezioni degli spinaci e delle melanzane, risulta molto più difficile definire un valore di porosità che può variare anche da busta a busta. Tuttavia, a fronte di questa variabilità, i modelli risultano essere adatti ad un uso industriale. Conclusioni -I modelli numerici sviluppati permettono di analizzare un numero arbitrario di combinazioni delle variabili durata del confezionamento, temperatura ambiente, temperatura iniziale del prodotto, forma e dimensioni della confezione. - Il modello permette di osservare il campo di temperatura con un grado di dettaglio irraggiungibile dalle tecniche sperimentali. -I risultati, in forma integrale, si trovano in ottimo accordo con quelli osservati sperimentalmente.