Wärmeleitung und Scherbeanspruchung beim Auftauprozess von Fruchtstücken

Abstract

Pasteurisationsprozesse werden häufig in der Lebensmittelindustrie durchgeführt, um die Haltbarkeit der Lebensmittel zu verlängern. CFD-Simulationen werden vermehrt in diesem Bereich eingesetzt, einerseits um Schwachstellen der Geometrie von Pasteurisationsanlagen zu finden und somit einer unzureichenden Pasteurisierung vorzubeugen und andererseits um die Produktqualität durch eine schonendere Pasteurisation zu verbessern. Diese Diplomarbeit behandelt den Aufwärmprozess eines Pasteurisationsprozesses mittels einer computerunterstützten Strömungssimulation (CFD) und wurde durch die Firma AGRANA Fruit Austria GmbH beauftragt. Es sollen dabei eingefrorene, würfelige Fruchtstücke bis zu der gewünschten Temperatur des Pasteurisationsprozesses durch ein pseudoplastisches Fluid aufgewärmt werden. Bei diesem Prozess tritt eine Aufwärmung, eine Schmelzung und eine mechanische Belastung des Fruchtstücks auf, welche durch das Programm OpenFOAM simuliert wird. Das Ziel ist dabei die Scherspannung auf der Oberfläche des Fruchtstückes zu simulieren, da diese entscheidend dafür ist, ob das Fruchtstück eine unerwünschte Zerkleinerung erfährt. Nach der Einleitung und der Theorie, welche zum Thema hinführen soll werden Experimente zur Messung der Stoffeigenschaften von Erdbeermarmelade durchgeführt. Hier wird der Zusammenhang zwischen Schergeschwindigkeit, Scherspannung und Temperatur gemessen und durch eine Formel ausgedrückt. Anschließend wird das Experiment in OpenFOAM simuliert. Dadurch wird die Simulation überprüft und es zeigte sich, dass die Simulation mit dem Experiment übereinstimmte. Die Überprüfung ist notwendig, da der Code zur Berechnung der Schergeschwindigkeit hinzugefügt wurde. Nun wird der Aufwärm-/Auftauprozess simuliert, wobei sich anhand der aufgestellten Enthalpiebilanz zeigte, dass der Auftauvorgang falsch berechnet wird. Es stellte sich heraus, dass der Solver Probleme mit der Lösung, der für die Schmelzenthalpie erstellten fiktiven cp-Funktion hat. Diese wurde daraufhin durch eine stufenförmige cp-Funktion über den Schmelzbereich ersetzt und dadurch konnte der Solver den Schmelzvorgang berechnen. Der Aufwärmvorgang wurde jedoch weiterhin falsch dargestellt. Nach einer intensiven Fehlersuche stellte sich heraus, dass die Wärmeleitfähigkeit nicht, wie zuvor, durch eine Konstante beschrieben werden darf, da die Funktion der Wärmeleitfähigkeit starke Auswirkungen auf den Auftauvorgang hat. Deshalb musste ein Experimente zur Anpassung der Wärmeleitfähigkeit durchgeführt werden, da in der Literatur nur konstante Werte für diese Stoffe gefunden wurden. Durch die Anpassung der Funktion der Wärmeleitfähigkeit in der Simulation wurde die Funktion der Wärmeleitfähigkeit der Kartoffel schrittweise ermittelt. Danach konnte der Aufwärm-/Auftauvorgang des Experimentes mit sehr guter Annäherung simuliert werden. Nachdem vorerst kubische Kartoffelstücke wegen der besseren Handhabung für die Experimente verwendet wurden, wurden die Stoffwerte auf jene von Erdbeeren als Feststoff und Erdbeermarmelade als Fluid bei der Simulation geändert. Nun wurden mehrere Simulationen von Erdbeerstücken in Erdbeermarmelade durchgeführt. Das erzielte Ergebnis ist dabei die richtige Simulation der an der Oberfläche der Fruchtstücke wirkenden Scherspannung. Diese verändern sich je nach der Viskosität, welche von der Schergeschwindigkeit und der Temperatur, also vom Auftauvorgang, anhängig ist. Da nun die Scherspannung richtig berechnet wird, können verschiedene Feststoff-Flüssigkeit-Systeme in Folgearbeiten dieser Diplomarbeit kombiniert und berechnet werden. Die simulierte Scherspannung an der Oberfläche des Fruchtstücks muss mit Literaturdaten der maximalen Scherspannung des Feststoffes verglichen werden und somit kann die Rührgeschwindigkeit so angepasst werden, dass die Feststoffe nicht zerkleinert werden.

In the food industry, pasteurization is often used to prolong the shelf life of produce. CFD-simulations are increasingly used in this area to find weaknesses in the geometry of pasteurization plants and therefore prevent inadequate pasteurization. Furthermore, these simulations are used to improve the product quality by a gentler pasteurization process. This thesis deals with the warm-up process of a pasteurization process by means of a computer aided flow simulation (CFD) and was sponsored by AGRANA Fruit Austria GmbH. Frozen cubic fruit pieces are warmed up to the desired temperature of the pasteurization process by a pseudoplastic fluid. This process involves warming, melting, and mechanical stress on the fruit piece, which is simulated by the program OpenFOAM. The aim is to simulate the shear stress on the surface of the fruit piece, as this is crucial for knowing if the fruit piece undergoes an unwanted crushing. After the introduction and the theory that lead to the main topic, experiments are carried out to measure the material properties of strawberry jam. Here the relationship between shear rate, shear stress and temperature is measured and expressed by a formula. Then the experiment is simulated in OpenFOAM. This will verify the simulation and show that the simulation was consistent with the experiment. This test is necessary as the code for calculating the shear rate has been added at this stage. As a next step, the warm-up / thawing process is simulated and the established enthalpy balance shows that the thawing process is calculated incorrectly. It showed that the solver has problems with the solution of the fictional cp-Funktion, which has been created for the melting enthalpy. This was then replaced by a cascaded cp-Funktion across the melting range, allowing the solver to calculate the melting process. However, the warm-up process was still misrepresented. After an intensive error search, it showed that the thermal conductivity cannot, as seen before, be described by a constant, as the function of the heat conductivity has a strong effect on the thawing process. Therefore, an experiment had to be carried out to adjust the thermal conductivity since only constant values where found for that material in the literature. By adjusting the function of the thermal conductivity in the simulation, the function of the thermal conductivity of the potato was determined step by step. Thereafter, the warm-up / thawing process of the experiment could be simulated with very good approximation. Initially, cubic potato pieces were used in the experiment because of better handling. For the simulations, the used material changed to strawberries as a solid and strawberry jam as a liquid. As a next step, several simulations of strawberry pieces in strawberry jam were carried out. The obtained result is the correct simulation of the shearing stress acting on the surface of the fruit pieces. These results may change depending on the viscosity which varies according to changes in the shear rate and the temperature (thawing process). Now that the shear stress is calculated correctly, different solid-liquid systems can be combined and calculated in other works following this thesis. The simulated shear stress at the surface of the fruit piece has to be compared with literature data dealing with the maximum shear stress of solids. As a result, the stirring speed can be adjusted and the solids are not crushed.