Diseño e implementación de un desacelerador de flujos mediante efecto SWIRL conformado por un sistema de inyección criogénico tipo jet para congelación de alimentos

• Autores: Arriaga Carpio, Ian Lev, Sayan Marquez, Jasuo Ernesto
• Formato: tesis de grado
• Fecha de Publicación: 2025
• Institución: Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas
• Repositorio: UPC-Institucional
• Lenguaje: español
• OAI Identifier: oai:repositorioacademico.upc.edu.pe:10757/686961
• Enlace del recurso: http://hdl.handle.net/10757/686961
• Nivel de acceso: acceso abierto
• Materia: ANSYS Fluent; ANSYS ICEM; CFD; Módelo multifase VOF; Cámara criogénica desaceleradora; Nitrógeno líquido; Atomizador tipo jet; Efecto swirl; Ángulo de swirl; Módelo turbulento RNG k-ϵ; Multiphases VOF; Cryogenic decelerator chamber; Liquid nitrogen; Jet-type atomizer; Swirl effect; Swirl angle; RNG k-ϵ turbulent model; https://purl.org/pe-repo/ocde/ford#2.11.02; https://purl.org/pe-repo/ocde/ford#2.00.00

La presente investigación se basa en el artículo científico desarrollado por los autores denominado: ‘Study of Internal Flow in a Liquid Nitrogen Flow Decelerator Through Swirl Effect Consisting of a Jet-Type Cryogenic Injection System for Food Freezing’, el cual estudia y analiza la dinámica de la congelación de alimentos mediante la inyección de fluido criogénico con efecto swirl dentro de un recinto desacelerador de flujo. A continuación, se presentan brevemente los aspectos más importantes que justifican la investigación realizada y su contribución: Análisis y propósito de la investigación: El propósito de este estudio es mejorar la eficiencia de los sistemas de congelación por nitrógeno líquido, buscando un uso más racional de este recurso criogénico mediante el rediseño del flujo interno en la cámara de enfriamiento. A diferencia de técnicas convencionales, como la inmersión directa o la pulverización sin control, este trabajo introduce un enfoque estructurado basado en la dinámica del fluido y el control geométrico del sistema, permitiendo reducir el consumo de LN₂ sin sacrificar la calidad del proceso. Además, se reconoce que muchas soluciones existentes tienen limitaciones por operar en sistemas cerrados, con alto consumo energético y baja adaptabilidad a productos de diferentes formas o tamaños. El estudio también responde a la necesidad de contar con herramientas más eficientes en sectores como la agroindustria o la conservación de alimentos perecederos para exportación, como las frutas y verduras. Diseño, metodología y/o aproximación: La solución propuesta se basa en una cámara de sección circular con ocho atomizadores tipo jet distribuidos radialmente con un ángulo de inclinación de 55°, el cual genera que los chorros de LN₂ colisionen. Esta configuración provoca una recirculación interna del flujo, extendiendo su permanencia dentro del volumen útil y promoviendo una distribución térmica más homogénea. El diseño de cada atomizador se fundamenta en ecuaciones de conservación de masa y energía, pérdida de carga local (coeficientes hidráulicos) y efectos de contracción según Bernoulli. Se establece una relación de diámetros / = 2, con presiones de inyección entre 150 y 300 kPa, buscando velocidades de salida óptimas para atomización fina. Posteriormente, se modela el sistema completo mediante simulaciones CFD en ANSYS Fluent, empleando mallas hexaédricas refinadas con O-Grid en ICEM CFD. Se utilizó el modelo RNG − para turbulencia y el modelo multifásico VOF para representar las fases de nitrógeno líquido, gas y aire, además del modelo de evaporación-condensación de Lee para simular el cambio de fase inmediato del LN₂ al contacto con el ambiente. Se evaluaron además contornos de velocidad, presión, fracción de fases y temperatura para múltiples escenarios de presión. Resultados: Las simulaciones mostraron un comportamiento coherente con el modelo matemático, con un error máximo de solo 1.92% entre el caudal másico simulado y el calculado teóricamente. A presión de 150 kPa, el flujo dentro del atomizador alcanzó velocidades de 20 m/s, disminuyendo progresivamente a 0.4–2 m/s al interior de la cámara gracias al efecto de remolino. Este patrón favoreció una mayor permanencia del nitrógeno dentro del sistema y permitió la formación de una “nebulosa criogénica” homogénea. Además, se observó un enfriamiento progresivo desde la entrada (15 °C) hasta zonas centrales con temperaturas cercanas a −175 °C, especialmente en la zona de transición entre la sección cilíndrica y la tobera convergente, donde el flujo se acelera nuevamente para salir del sistema. La distribución de temperaturas reveló zonas A, B, C y D con gradientes térmicos marcados, indicando que el sistema logra mantener condiciones criogénicas estables en la mayoría del volumen interno. También se confirmó que, sin importar la presión, el patrón de swirl permite desacelerar el flujo mediante el choque entre chorros, promoviendo la evaporación rápida del LN₂ y mejorando la transferencia de calor al producto. Principal conclusión: El estudio demuestra que una disposición adecuada de atomizadores tipo jet con diseño geométrico optimizado permite generar un efecto de remolino efectivo, incrementando el tiempo de residencia del nitrógeno líquido y mejorando la uniformidad del proceso de congelación. Se valida que incluso con presiones elevadas, el sistema no compromete la eficiencia térmica ni requiere aumentar el consumo de LN₂, lo cual representa un avance significativo en sostenibilidad para aplicaciones industriales de congelación rápida. La implementación del modelo de evaporación-condensación de Lee y la simulación multiparámetrica en ANSYS Fluent permiten representar con precisión la interacción entre fases criogénicas y el aire ambiente. Finalmente, el estudio destaca que el uso de mallas hexaédricas refinadas mejora la calidad de las simulaciones, proporcionando datos más precisos sobre velocidades, presiones y temperaturas internas. Este enfoque representa un aporte valioso para futuras aplicaciones en conservación de alimentos de alto valor, como pescados y mariscos, con menor costo energético y mayor control sobre la calidad del congelado.