Jet Impingement and Infrared Heating of Cylindrical Foods. Flow and Heat Transfer Studies

Abstract: Popular Abstract in Swedish Jet impingement och infraröd strålning är metoder för snabb värmeöverföring som kan användas för att snabba upp värmeprocesser i livsmedelsindustrin. Värmningshastigheten påverkar viktiga egenskaper hos livsmedlet, t.ex. brunfärgning. Jet impingement består av riktade strålar av luft med hög hastighet som träffar ytan på livsmedlet och minskar gränsskiktet mellan luften och produktytan, vilket ger en snabb värmeöverföring. Infraröd värmning är termisk strålning som värmer produkten direkt och effektivt utan att värma upp den omgivande luften. Flöde och värmetransport från en och flera strålar som är riktade mot en eller flera cylindrar placerade på en plan platta har studerats numeriskt med simuleringar i ett CFD-program (CFD=computational fluid dynamics) och turbulensmodellerna k-? SST och RSM. I allmänhet var hastigheten beräknad med CFD i bra överensstämmelse med experimentella mätningar, gjorda med particle image velocimetry (PIV). Värmetransporten, utryckt i lokala vämeövergångstal var inte jämn runt cylindern p.g.a. att gränsskiktets tjocklek varierade runt cylindern. Värmeövergångstalen var störst, högst upp på cylindern i stagnationspunkten och mindre nära separationspunkten och på baksidan av cylindern. Som komplettering till CFD-simuleringarna beräknades de lokala värmeövergångstalen runt cylindern från uppmätta temperaturprofiler i olika positioner runt cylindern. En känslighetsanalys gjordes också. Värmeövergångstalen var i allmänhet större än de beräknade med CFD. Växelverkan mellan flera luftstrålar påverkade värmeöverföringen runt cylindern. Avståndet och öppningen mellan luftstrålarna var betydelsefulla för att få en hög och jämn värmetransport vid användning av flera luftstrålar. Värmning med impingement och infraröd strålning samtidigt studerades också med CFD, vilket visade att det finns en synergistisk effekt när man kombinerar de två värmningsmetoderna. Genom att kombinera de båda metoderna kunde man få en högre värmetransport än med var och en av metoderna separat. Hur jet impingement och infraröd värmning påverkade färg och skorpbildning på baguetter studerades experimentellt. Impingement och infraröd värmning gav olika temperaturprofiler i skorpan vilket i sin tur resulterade i olika färg- och skorpbildning. Snabb värmning ökade färgbildningen och förkortade den totala värmningstiden, vilket gav en tunn skorpa och reducerade den totala vattenförlusten. Kombinationen av jet impingement och infraröd värmning gjorde det möjligt att skapa produktegenskaper som inte kunde fås med värmningsmetoderna för sig. En tjockare skorpa och bättre centrumvärmning kunde bara fås genom kombination av infraröd strålning och impingement. Beräkning av flöde och värmetransport med CFD kan användas till att designa utrustning och processbetingelser som ger optimal värmeöverföring till produkten och därmed en hög och jämn produktkvalitet.