Conveccion natural

Predicción simultánea de convección natural turbulenta en
aire y enfriamiento de alimento en cavidad con MVF
,

,

Nelson Moragaa*, Frank Azolab*, Roberto Lemusc*

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de La Serena, Benavente 980,
Casilla 554, La Serena, Chile
Departamento de Ingeniería en Alimentos, Universidad de La Serena, Benavente 980,
*nmoraga@userena.cl*azolaarayafrank@gmail.com
*rlemus@userena.cl

Resumen
En el presente estudio se exponen los resultados de la predicción numérica del enfriamiento de un alimento al interior de una
cavidad por convección natural turbulenta en aire. La solución del problema conjugado de convección natural turbulenta en
aire y difusión transiente de calor en el alimento se obtiene empleando el método de volúmenes finitos,con el programa
comercial ANSYS/FLUENT en su versión 14.0. El procedimiento para obtener los resultados numéricos incluye, en primera
instancia, el estudio la convección natural turbulenta al interior de una cavidad llena con aire. Luego se agrega un alimento
sólido, carne en una cavidad rectangular, que se enfría por la convección natural turbulenta en el aire. Resultados para la
evolución enel tiempo de la mecánica de fluidos y transferencia de calor turbulenta en el aire se presenta junto a la variación
temporal de la temperatura en el alimento durante su enfriamiento. Se concluye que la variación del número Rayleigh desde
108 a 109 origina una disminución del 30% en tiempo de enfriamiento del alimento.
Keywords: Convección natural, flujo turbulento, problema conjugado, métodode volúmenes finitos.

1. Introducción
La preservación de alimentos adquiere cada vez mas
interés para la industria agroalimentria a nivel nacional
considerando que el PIB que aporta esta actividad
económica va en constante alza desde ya casi una decada,
por lo tanto se hace impresindible entender el fenómeno
físico que gobierna este proceso de modo de optimizar
cualquier actividadasociado a esto.

En primer lugar se estudia la convección natural en una
cavidad de relación de aspecto unitaria llena de aire donde
sus paredes horizontales están perfectamente aisladas y
las verticales poseen una diferencia de temperatura
definida. La información recopilada es contrastada con
datos experimentales, Krane y Jessee (1983) [1], y con
datos numéricos, Barakos y Mitsoulis (1994)[2].
Posteriormente, a este mismo fenómeno se incluye un

obstáculo que no interactúa con el fluido que lo circunda.
Para lograr este objetivo se utiliza la información
recopilada de la situación anterior y se procede a ejecutar
los cálculos pertinentes. Si bien no hay una validación
propiamente dicha, sí se tiene una comparación de
resultados respecto a la situación anterior obteniendo unasituación física esperada, por lo tanto la información
recopilada de este caso será aplicable a la situación
siguiente. Finalmente este obstáculo se modela como un
alimento sólido que interactúa con el aire que lo rodea.
Este posee propiedades termofísicas constantes para el
rango de temperaturas en estudio, Levy (1977).
La necesidad de mejorar la calidad de los alimentos
depende delconocimiento de transferencia de calor en
procesos de enfriamiento de alimentos en el interior de
congeladores, cámaras de enfriamiento y de
mantenimiento. Con este propósito, resulta atractivo
generar procedimientos de cálculo simultáneo de la
mecánica de fluidos y transferencia de calor en el aire
junto con la transferencia de calor en los alimentos.
Moraga y Barraza (2003) [3] presentaron unnuevo
modelo matemático conjugado que utiliza el método de
volúmenes finitos para predecir la convección natural en
flujo laminar bidimensional en el aire, junto con la
congelación de un alimento (trozo de carne) en un
congelador, con propiedades que varían en función de la
temperatura. Los resultados numéricos reportados
incluyeron la evolución en el tiempo de las distribuciones...