ABSTRACT Based on mass and energy balance equations and data collected in specialized bibliographies, it was proposed a methodology for modeling of an ice bank for thermal storage of energy at low temperature to be used in milk cooling. The data obtained by the equations arrangement were used in the design and installation of a real system, which was tested to collect data and to compare it with the estimated. The data obtained in terms of prediction of ice formation, temperature of the ice bank, water and capacity of the selected refrigeration system prove the adequacy of the equations arrangement, showing that it can be used as a tool for sizing solid ice bank in smooth pipe coils, with good approximation.

Dados de equilíbrio da umidade da polpa de manga foram determinados utilizando-se o método estático gravimétrico. As isotermas de adsorção e dessorção foram obtidas na faixa de 30-70 ºC e as atividades de água (a w) de 0,02 a 0,97. A utilização do modelo de GAB nos resultados experimentais, através da análise de regressão não linear, proporcionou um bom ajuste entre os dados experimentais e os valores calculados. O calor isostérico de sorção foi estimado a partir dos dados de equilíbrio de sorção, utilizando-se a equação de Clausius-Clayperon. Notou-se que os calores isostéricos de sorção crescem com o aumento da temperatura e pode ser bem ajustado através de uma relação exponencial. A teoria da compensação entalpia-entropia foi aplicada às isotermas de sorção e gráficos deltaH versus deltaS forneceram as temperaturas isocinéticas, indicando um processo de sorção entalpicamente controlado.

Moisture equilibrium data of mango pulp were determined using the static gravimetric method. Adsorption and desorption isotherms were obtained in the range of 30-70 ºC, to water activities (a w) from 0.02 to 0.97. The application of the GAB model to the experimental results, using direct nonlinear regression analysis, provided agreement between experimental and calculated values. The net isosteric heat of sorption was estimated from equilibrium sorption data, using the Clausius-Clapeyron equation. Isosteric heats of sorption were found to increase with increasing temperature and could be well adjusted by an exponential relationship. The enthalpy-entropy compensation theory was applied to sorption isotherms and plots of deltaH versus deltaS provided the isokinetic temperatures, indicating an enthalpy controlled sorption process.

O trabalho consiste na implementação de um controle convencional PID/SISO-feedback para obter um ajuste fino na temperatura de entrada da água de aquecimento em um processo de pasteurização. Para isto utilizou-se uma resistência de 2500 Watts instalada na linha do fluido secundário da seção de aquecimento do pasteurizador e um Pt100 para a medição de sua temperatura. Como o comportamento desta temperatura em função de uma mesma perturbação degrau de potência na resistência é dependente da vazão de trabalho, objetivou-se encontrar um controle único para que a mesma fosse mantida no set-point desejado na faixa de operação de vazão da água do processo (300 a 700L/h). Três sintonias para o controlador adaptativo PID foram testadas: a primeira consistiu na implementação de uma função adaptativa dos parâmetros PID, ajustada através dos valores individuais obtidos para cada vazão de trabalho conforme metodologia da curva de reação do processo; a segunda consistiu em configurar os parâmetros do PID com os valores médios destes calculados individualmente para cada vazão, e a terceira consistiu na sintonia através de uma função adaptativa ajustada pelos parâmetros de sintonia obtidos pela metodologia de Aström & Hägglund. A avaliação do desempenho das sintonias dos controladores adaptativos foi realizada por comparação dos valores dos índices de erro, obtidos por perturbações do sistema em malha fechada na vazão de água. Os resultados obtidos mostraram que dentre as sintonias testadas, a terceira sintonia, popularmente conhecida como "Bang-Bang", apresentou menores oscilações e os menores valores dos índices de erros.

The aim of this work is to implement a conventional PID/SISO feedback control to obtain a fine adjustment of the water inlet temperature at a pasteurization process. For that, a resistance of 2500 Watts and a Pt100 to measure the temperature were installed in the water inlet line of the pasteurizer heating section. As the water temperature behavior according to the same step change on the potency of the resistance depends on the working flow rate, a single controller was designed to keep this temperature at its desirable set-point, for the water flow rate, within the range of 300 to 700L/h. Three different tunings for the PID were tested: the first consisted on the implementation of a function for the calculation of the PID parameters fitted to individual values obtained from each flow rate, according to process reaction curve methodology; the second consisted on using the PID parameters calculated as the average of these individual values; at the third tuning, an adaptive function fitted with the individual parameters obtained with Aström & Hägglund methodology was used. The performance evaluation of the configured PID controllers was carried out by comparing the error index values, obtained after disturbances in the water flow rate in the closed loop system. The error indexes calculated after step changes in the water flow rate were used to evaluate the tunings. The results have shown that the third tuning, called "Bang Bang" presented minor oscillations and smaller error indexes compared to the other two methods.

Os tempos de congelamento da solução modelo de polpas de frutas embaladas e acondicionadas em diferentes arranjos de camadas no interior das caixas do empilhamento foram avaliados sob várias condições de operação encontradas nas práticas comerciais. Nestes tipos de processos, as caixas contêm uma porosidade significativa e métodos para avaliar como esta afeta o tempo de congelamento, torna o problema de difícil resolução. Procedimentos para as estimativas dos tempos de congelamento, usando modelos encontrados na literatura, foram comparados com medidas experimentais através da aquisição de dados de tempo/temperatura. Os resultados mostraram que o escoamento do ar entre as embalagens é um parâmetro significativo nas estimativas dos tempos de congelamento. Quando é considerada a presença de canais preferenciais, dependendo do método utilizado, estes valores são subestimados em cerca de 10% quando comparados com os valores experimentais. As isotermas traçadas em função da localização das amostras no interior das caixas comprovam o deslocamento do centro térmico, em relação ao centro geométrico do produto.

The freezing times of fruit pulp models packed and conditioned in multi-layered boxes were evaluated under conditions similar to those employed commercially. Estimating the freezing time is a difficult practice due to the presence of significant voids in the boxes, whose influence may be analyzed by means of various methods. In this study, a procedure for estimating freezing time by using the models described in the literature was compared with experimental measurements by collecting time/temperature data. The following results show that the airflow through packages is a significant parameter for freezing time estimation. When the presence of preferential channels was considered, the predicted freezing time in the models could be 10% lower than the experimental values, depending on the method. The isotherms traced as a function of the location of the samples inside the boxes showed the displacement of the thermal center in relation to the geometric center of the product.

As propriedades termofísicas de alimentos, necessárias nas simulações e cálculos do processo de congelamento, incluem principalmente a densidade, condutividade térmica e calor específico. Neste trabalho, as difusividades e condutividades térmicas da solução, usadas como modelo para o congelamento de polpas de frutas, foram medidas pelo método da sonda com aquecimento. Os experimentos foram conduzidos na faixa de -25 a 0ºC com modelos alimentícios constituídos de 0,5% de K- carrageenan + 10% de sacarose (massa/volume de água). Modelos estruturais foram usados para as avaliações da condução de calor, combinada com a fração de gelo predita para as amostras a partir dos modelos de Heldman e foram comparados com os valores das condutividades térmicas efetivas medidas. Os modelos estruturais empregados foram: em série, paralelo e Maxwell-Eucken, com o gelo considerado como a fase dispersa. Em todos os ensaios, o modelo de Maxwell-Eucken apresentou os melhores resultados (erro máximo de 6,13% quando comparado com os valores experimentais medidos) e foi escolhido para a predição da condutividade térmica efetiva de soluções-modelo de polpas de frutas congeladas. Os valores calculados da condutividade térmica foram ajustados em termos de funções polinomiais, divididas em quatro faixas de temperatura e podem ser usadas na resolução dos problemas de transferência de calor, nos processos de congelamento.

The thermo physical properties of foods required in the simulation of freezing processes include density, conductivity and specific heat. In this work, thermal diffusivities and thermal conductivities of fruit pulp models were measured using the hot wire probe method. Experiments were carried out from 0 to -25ºC with food models constituted by 0,5% K-carrageenan + 10% sucrose (weight/volume in water). Structural models were used for evaluating heat conduction combined with ice fraction predicted from the Heldman models for the samples, and were compared with the measurement of effective thermal conductivity. The structural models used were: series, parallel and Maxwell-Eucken models with ice as the dispersed phase. With all the samples tested, the model, which was composed of the dispersed ice phase, showed the best results (underestimated on 6,13% when compared with experimental measurements) and was chosen for predicting the effective thermal conductivity of frozen fruit pulp model-solutions. The values calculated for the thermal conductivity were fitted in terms of polynomial functions of temperature, divided into four temperature ranges and could be used in the resolution of heat transfer problems in the freezing process.

As variações nas velocidades do ar causadas pela resistência ao escoamento em função da quantidade de embalagens de polpa de frutas (100g), acondicionadas em caixas comerciais durante o processo de congelamento, foram avaliadas e as vazões estimadas, com base em um método de tratamento dos dados experimentais. As velocidades foram medidas antes da passagem do ar pelo empilhamento de caixas na câmara. As medições foram analisadas utilizando-se uma rotina de regressão não linear e as vazões determinadas pelo método de integração numérica dos perfis das velocidades ajustadas. O método apresentou estimação 10% superior à encontrada pelo método tradicional. Mantendo as condições operacionais do ventilador constantes, a vazão para arranjos de sete camadas resultou ser 62% inferior à de três camadas e, 50,9% inferior à de cinco camadas. Estes valores foram proporcionais à redução do espaço livre para escoamento do ar.

The changes in air velocity, as a function of stacking of fruit pulp packages (100g), offering a resistance to air flow in commercial boxes were evaluated and the air flow rates estimated during blast freezing operations. Velocities were initially measured prior to passing the air through the multi-layer stacks of boxes in the chamber. Processing of the data was accomplished by applying a non-linear regression routine. Air flow rates were determined by numerical integration from adjusted air flow velocity profiles and appeared to be 10% higher than those obtained by the traditional procedure. Under constant operating conditions of the fan, the results for the 7-layer arrays of boxed products exhibited a 62% reduction in the flux of chilling air, in relation to the 3-layer arrays, and 50.9% decrease with respect to the 5-layer array. These values were directly proportional to the void space available for air flow.