Numerical and experimental study of vacuum freezing process

Abstract

Vakuumfrysing er en alternativ fordampningsmetode for matfrysing. Vanninnholdet i produktet fordamper på grunn av nærvakuumtrykket i kammeret. Frigjøring av latent varmeenergi fra faseendringen forårsaker reduksjon av temperatur og frysing av produktet. Hovedmålet med oppgaven er å utføre eksperimentell undersøkelse av vakuumfryseprosessen, og utvikle en ikke-tilstedeværende 3-D numerisk CFD-modell for vakuumfrysing.

Temperaturprofiler avhengig av plassering er målt for å få en god forståelse av intern varmemotstand i produktet. Eksperimentelle tester er utført på tre forskjellige enheter, hver med forskjellig utstyr og muligheter. En foreløpig 3D numerisk modell for vakuumfrysing ble utviklet, ved bruk av entalpibasert energiligning og tilnærminger av termiske egenskaper i funksjon av temperatur. CFD-modellen ble validert med eksperimentelle resultater av vakuumfrysing av rent vann i RS-svamp og vakuumfrysing av potetskive.

Påvirkning av kjølesystem, vakuumpumpeeffektivitet og trykk i kammeret har blitt analysert og evaluert. God overensstemmelse mellom temperaturprofiler ble oppnådd ved validering av potetforsøk, og mindre tilfredsstillende resultater er oppnådd i vann RS svampvalideringen.

Basert på resultater er det å oppnå god overensstemmelse mellom temperaturprofiler en utfordrende oppgave i store kropper, på grunn av den interne varmemotstanden. Utviklingen av modellen kan være et stort skritt i fremskritt når det gjelder å simulere vakuumfryseprosessen, og videre arbeid mot nøyaktigheten til modellen bør gjøres. De termiske egenskapene og dens endring i funksjon av trykk og temperatur bør analyseres for å sikre tilpasningen av de skiftende egenskapene for å øke trofastheten til CFD-modellen. Større utvalg av matprodukter bør undersøkes eksperimentelt for å kontrollere nøyaktigheten og samsvaret med CFD-modellvalideringen.

The vacuum freezing is an alternative evaporative method of food freezing. The water content of the product evaporates due to the near-vacuum pressure in the chamber. Release of latent heat energy of the phase change causes the reduction of temperature and freezing of the product. The main objective of the thesis is to perform experimental investigation of the vacuum freezing process, and develop a not-present before 3-D numerical CFD model of vacuum freezing.

Temperature profiles depending on location have been measured to obtain a good understanding on internal heat resistance in the product. Experimental test have been performed on three different devices, each with different equipment and capabilities. A preliminary 3-D numerical model of vacuum freezing was developed, using enthalpy-based energy equation and approximations of thermal properties in function of temperature. The CFD model was validated with experimental results of vacuum freezing of pure water in RS sponge and vacuum freezing of potato slice.

Impact of cooling system, vacuum pump efficiency, and pressure in the chamber has been analysed and evaluated. Good agreement of temperature profiles was achieved in validation of potato experiments, and less satisfactory results have been acquired in the water RS sponge validation.

Based on results, achieving good agreement of temperature profiles is a challenging task in large bodies, due to the internal heat resistance. The development of the model could be a big step in advancement in simulating the vacuum freezing process, and further work towards the accuracy of the model should be done. The thermal properties and its change in function of pressure and temperature should be analysed to ensure the adaptation of the changing properties to increase the fidelity of the CFD model. Wider variety of food products should be experimentally investigated, to check the accuracy and agreement of the CFD model validation.