Modelación matemática de los perfiles de velocidad y temperatura para arreglos de cajas de frutas sometidos a cámaras de frío

Abstract

El estudio de la fluidodinámica ha sido un desafío en el diseño de las cajas de cartón corrugado para el almacenaje de frutas, ya que se debe complementar la resistencia mecánica con un diseño que permita un flujo de aire homogéneo para reducir el tiempo de enfriamiento. Dado esto, Envases Impresos, filial de CMPC Packaging, desea desarrollar una herramienta de diseño que permita estudiar la fenomenología que se presenta en el proceso de enfriamiento de las frutas al interior de las cajas con el fin de mejorarlo. Con este trabajo se desarrolla un modelo matemático que estudia y describe el comportamiento del perfil de velocidad y temperatura en arreglos de cajas durante el proceso de enfriamiento en el interior de cámaras de frío. Para lo que se utiliza la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), que permite obtener el efecto del campo de velocidades del fluido en la transferencia de calor y masa. Esto se desarrolla con las ecuaciones de Navier-Stokes con el promedio de Reynolds, continuidad y transferencia de calor. El estudio se centra en la uva Thompson Seedless y en dos diseños de cajas utilizadas por la Exportadora Seedless Valley. Se obtuvieron datos experimentales del proceso de enfriamiento de la uva y con estos se validó el modelo matemático desarrollado mediante la comparación de resultados y el coeficiente de determinación (𝑅2). El menor coeficiente de determinación obtenido fue de 0,95, lo que significa que el modelo es capaz de representar gran cantidad de los fenómenos presentes en el proceso. Se realizó un análisis de sensibilidad para estudiar el efecto del área de ventilación en el tiempo de enfriamiento, en la resistencia mecánica y en el costo de enfriamiento. Con esto fue posible plantear un nuevo diseño de caja, que permite reducir el tiempo y costo de enfriamiento en 13% y obtiene una resistencia mecánica de 15% sobre el mínimo recomendado. Finalmente, este proyecto muestra que el modelamiento matemático aplicado permite comprender y mejorar los resultados operacionales en la industria de procesos. Siendo sus resultados extensibles a procesos similares y a el procesamiento de otras frutas y vegetales.