شبیه سازی عددی فرآیند ماست همزده در مبدل های حرارتی صفحه ای

فرآیند حرارتی ماست هم زده در مبدل های حرارتی صفحه ای (PHE) گامی حیاتی برای اطمینان از ایمنی میکروبی و حفظ بافت و ویژگی های حسی مطلوب محصول است. با این حال، رفتار غیر نیوتونی و برش نازک (shear-thinning) ماست چالش های قابل توجهی را در پیش بینی انتقال حرارت و عملکرد جریان ایجاد می کند. در این پژوهش، یک مدل دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) توسعه داده شد تا رفتار حرارتی-هیدرولیکی ماست هم زده در یک مبدل حرارتی صفحه ای تجاری را تحت شرایط عملیاتی مختلف بررسی کند. رئولوژی ماست به صورت تجربی تعیین و با مدل قانون توانی (Power-law) برازش شده، سپس در شبیه سازی عددی به کار گرفته شد. مدل به طور موفقیت آمیزی پروفیل های سرعت، توزیع های دما و افت فشار را پیش بینی کرد و با اندازه گیری های آزمایشگاهی در مقیاس پایلوت با انحراف کمتر از ۸ درصد اعتبارسنجی شد. نتایج نشان داد که عدد ناسلت (Nusselt) ماست تقریبا ۲۵ درصد کمتر از سیالات نیوتونی در همان عدد رینولدز است که بیانگر کاهش بازده انتقال حرارت جابجایی می باشد. در مقابل رفتار برش نازک سبب کاهش افت فشار در نرخ های جریان بالاتر شد که نشان دهنده صرفه جویی بالقوه در انرژی پمپاژ است. تحلیل توزیع برش نیز نواحی با برش بالا در نزدیکی دیواره های موج دار صفحات را نشان داد که گرچه ممکن است انتقال حرارت را بهبود دهد اما خطر آسیب به ریزساختار ماست و بروز آب اندازی (Syneresis) را به همراه دارد. این یافته ها ارزش استفاده از CFD را به عنوان ابزاری برای بهینه سازی فرآیند تولید ماست هم زده در مبدل های حرارتی صفحه ای نشان می دهد و بینش دقیقی در خصوص تعادل میان عملکرد حرارتی، بازده انرژی و کیفیت محصول فراهم می کند. این مطالعه پایه ای برای تحقیقات آتی در زمینه پویایی رسوب گذاری، شرایط گذرای فرآیند و مدل سازی پیشرفته رئولوژیکی فراهم می سازد و از توسعه راهبردهای کارآمدتر و پایدارتر در فرآوری لبنیات پشتیبانی می کند.

کلیدواژه ها:

ماست هم زده ، مبدل حرارتی صفحه ای (PHE) ، دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) ، سیالات غیر نیوتونی ، رفتار برش نازک ، بازده انتقال حرارت