Simulación numérica de problemas de transferencia de energía en alimentos de geometría irregular utilizando el método de los elementos finitos

Abstract

El objetivo general de la presente Tesis fue profundizar en los conceptos matemáticos del método de los elementos finitos con el fin de desarrollar programas computacionales propios (códigos abiertos) que permitan simular problemas de transferencia de calor con y sin cambio de fase en sistemas bi- y tridimensionales de geometría irregular validando experimentalmente dichos modelos. En el caso de dominios irregulares la cantidad, disposición y numeración de los elementos utilizados para la discretización establecen una dificultad adicional para resolver el problema numérico, más aún en geometrías tridimensionales. Por lo tanto uno de los objetivos específicos fue desarrollar programas computacionales propios en elementos finitos para sistemas tridimensionales irregulares y las subrutinas particulares para incorporar la información de la malla en el programa principal. Los sistemas alimenticios seleccionados para modelar surgieron a partir de necesidades planteadas por la industria y fueron descriptos en la Sección 1.2. Se planteó trabajar con tres sistemas de dificultades matemáticas crecientes: a) un producto cárneo (embutido) sometido a calentamiento en el que se buscaba una condición de inocuidad, b) un producto irregular heterogéneo con regiones de distintas propiedades termofísicas sometido a enfriamiento, c) congelación de un producto panificado de geometría irregular. Los objetivos específicos de la presente Tesis según el proceso de transferencia de energía y la geometría abordada en la simulación son: - Proceso de tratamiento térmico de embutidos (morcillas) en sistemas batch - Proceso de refrigeración de productos semi-elaborados (empanadas) - Proceso de congelación de productos semi-elaborados (croissantmedialunas) Para cumplimentar los objetivos propuestos en el presente trabajo de Tesis se ha encarado por un lado el modelado matemático y la resolución numérica de procesos lineales donde las propiedades térmicas del alimento se consideraron constantes y por el otro, el análisis y modelado computacional de procesos con cambio de fase y propiedades termofísicas variables con la temperatura.