Modelagem multifísica para estudo de um aplicador de micro-ondas para o processamento térmico contínuo de alimentos líquidos

Resumo

A eletrificação de processos industriais de aquecimento, associada ao uso de fontes renováveis e limpas de energia elétrica, tem potencial para a redução de emissões e aumento de eficiência energética. A irradiação por micro-ondas é uma eletro-tecnologia promissora e comercialmente viável para a indústria de alimentos. Nesse contexto, um aplicador de micro-ondas para aquecimento em fluxo contínuo de alimentos líquidos está em desenvolvimento em uma parceira USP/IMT com apoio financeiro FAPESP e CNPq. Esse equipamento terá aplicação no processamento térmico de produtos tais como sucos, polpas e leite, substituindo o trocador de calor. O aquecimento volumétrico, rápido e sem superfícies de troca superaquecidas já mostrou potencial na retenção de qualidade do produto processado. Para o desenho e análise de um aplicador de micro-ondas faz-se necessário o uso de simulação numérica multifísica de forma a acoplar os fenômenos de eletromagnetismo, transferência de calor e escoamento. O principal desafio é a homogeneidade do aquecimento, pois ela pode comprometer a inocuidade do produto e a eficiência energética na absorção de potência. Para abordar esse desafio, este projeto objetiva desenvolver e validar esse modelo multifísico em COMSOL (método numérico de elementos finitos) tendo como base o protótipo desenvolvido no projeto de colaboração (cavidade hexagonal, escoamento helicoidal, potência de 6 kW, frequência de 2,45 GHz), por meio de experimentos com um alimento modelo que teve as propriedades dielétricas determinadas (água adicionada de sacarose, cloreto de sódio e espessante CMC). No aquecimento do alimento modelo serão medidas: vazão (0,5 a 1,0 L/min), temperaturas ao longo da linha (até 90 °C), distribuição de temperatura na saída do aquecedor, e potências incidente e refletida (após sintonia para minimizar reflexão na cavidade). O modelo validado permitirá a análise detalhada dos fenômenos envolvidos quanto à eficiência na absorção de potência e à homogeneidade da temperatura, assim como permitirá o ajuste fino de parâmetros da cavidade como ângulo e rotação da guia de onda de entrada e geometria do tubo aplicador helicoidal. Resultados dessa pesquisa contribuirão para o desenvolvimento dessa tecnologia que pode beneficiar pequenos e médios produtores.