Introducción/Objetivos

La optimización del proceso de secado solar es crucial para preservar alimentos como el tomate, con un alto contenido de agua. El artículo titulado “Experimental and numerical study of tomatoes drying kinetics using solar dryer equipped with PVT air collector” [1] empleó COMSOL Multiphysics® para desarrollar una simulación numérica tridimensional (3D) que describe las características de transferencia de calor y masa durante el secado de rodajas de tomate en un secador solar equipado con un colector fotovoltaico-térmico (PVT).

Los objetivos incluyen evaluar el impacto de parámetros clave (temperatura, velocidad del aire y grosor de las rodajas) en la eliminación de humedad y validar los resultados numéricos con datos experimentales.

Modelización/Simulación

El modelo numérico axisimétrico desarrollado en COMSOL Multiphysics® para las rodajas de tomate (Figura 1) acopla las físicas de transferencia de calor en sólidos y transporte de especies diluidas en medios porosos. Para representar la geometría de las rodajas de tomate, se utilizó un cilindro axisimétrico de 35 mm de radio y 22 mm de grosor. Las ecuaciones principales se basan en la segunda ley de Fick para el transporte de agua y en la conducción de calor dentro de la rodaja. Entre las simplificaciones asumidas destacan:

• Propiedades homogéneas e isotrópicas del tomate.
• Transferencia primaria de calor por convección y de masa por difusión.
• Ausencia de contracción del producto.

Se generó una malla de ultra alta resolución con 21,826 elementos triangulares para garantizar la precisión de los cálculos. La simulación evaluó cómo la temperatura, el grosor de las rodajas y la velocidad del aire influyen en la distribución de temperatura y contenido de agua.

Figura 1. Rodajas de tomate seco modelizadas en COMSOL Multiphysics®.

Resultados/Conclusiones

La simulación mostró una alta concordancia con los datos experimentales. De acuerdo con los resultados, a temperaturas de secado superiores a 50 °C la evaporación de agua fue más rápida, evitando contaminación bacteriana. A 60 °C, el tiempo de secado se redujo un 45% en comparación con 40 °C. La Figura 2 y la Figura 3 muestran, respectivamente, el contenido en agua y la temperatura en función del tiempo de secado y la Figura 3 muestra . Los resultados también mostraron que reducir el grosor de las rodajas o aumentar la velocidad del aire permiten reducir el tiempo de secado debido a la menor resistencia al transporte de agua desde el núcleo hasta la superficie. Este estudio destaca el potencial de COMSOL Multiphysics® para modelar y simular procesos de secado de productos agroalimentarios. Su capacidad para predecir la distribución espacial y temporal de temperatura y humedad permite optimizar diseños de secadores y reducir los costos asociados a experimentos físicos. Estos resultados abren la puerta a mejoras en el diseño de secadores solares y sistemas de control automático para procesos industriales.

Figura 2. Contenido en agua de las rodajas de tomate calculado en COMSOL Multiphysics® para distintos tiempos de secado.

Figura 3. Temperatura de las rodajas de tomate calculado en COMSOL Multiphysics® para distintos tiempos de secado.

Referencias

[1] Fterich et al. Experimental and numerical study of tomatoes drying kinetics using solar dryer equipped with PVT air collector. Engineering Science and Technology, an International Journalt (2023), 47, 101524.