Implementación de células calefactoras alimentadas por microondas para mejora energética y eliminación de combustibles fósiles en procesos de calentamiento de fluidos alimentarios

Abstract

[ES] Los tratamientos térmicos tienen un gran peso en la industria agroalimentaria, siendo el origen de hasta el 80% de las emisiones de CO2 generadas por este sector en algunas regiones. Por esta razón, existe un gran interés en nuevas tecnologías aplicadas a procesos térmicos que puedan alimentarse por electricidad, ya que puede provenir de fuentes de energía renovable y, por tanto, ser neutras en emisiones. En este contexto, la empresa Microbiotech S.L. ha desarrollado la tecnología de Célula Básica de Transferencia de Energía (CBTE), la cual consiste en conducir energía de microondas por un cable coaxial, de forma muy eficiente, hasta el material a calentar, y este tiene las dimensiones óptimas para absorber toda la energía y calentarse de forma homogénea. Este material es un tipo de cerámica, modificada para que absorba la energía de microondas, incrementando su temperatura rápidamente, pero manteniendo la liberación de calor lenta típica de materiales cerámicos. El objetivo de la tesis fue incrementar el estado de desarrollo de esta tecnología en su aplicación para calentar fluidos, caracterizarla más en profundidad y verificar su viabilidad para pasteurización de alimentos líquidos, independientemente de su capacidad para absorber microondas. El primer paso de la investigación se centró en hallar el material más adecuado para esta tecnología, con la premisa de elevar rápido su temperatura, y liberar el calor absorbido lentamente. Se escogió una formulación cerámica con un 50% de SiC como susceptor. Se validó su aplicación como calefactor de aire ofreciendo un 40% de ahorro en comparación con los convencionales. A continuación, tras tres ciclos de ensayo y error, se construyó un prototipo de calentador de fluidos por tecnología CBTE capaz de alcanzar temperaturas de pasteurización, funcionar de forma prolongada y ofreciendo una eficiencia energética del 45%. En tercer lugar, por medio de simulación multifísica, se simularon diversas variables del prototipo. En las simulaciones se encontró un problema de sobrecalentamiento porque, debido al patrón de circulación del fluido, parte de este permanecía más tiempo en contacto con la placa, lo cual se solucionó mediante láminas metálicas que guiaban el paso del fluido. Por último, se analizó la entropía generada por el sistema, examinando la influencia de distintos parámetros, concluyendo que la principal variable afecta al fluido a calentar. En conclusión, se ha conseguido obtener un prototipo de tecnología CBTE para calentar fluidos a temperaturas de pasteurización, se conocen los pasos para mejorarlo en futuras iteraciones gracias a las simulaciones multifísicas, y se conoce la influencia de las distintas variables en la generación de entropía.

[CA] Els tractaments tèrmics tenen una gran importancia en la indústria agroalimentària, sent l'origen de fins al 80% de les emissions de CO2 generades per aquest sector en algunes regions. Per aquesta raó, hi ha un gran interès en noves tecnologies aplicades a processos tèrmics que puguin alimentar-se per electricitat, ja que pot provenir de fonts d'energia renovable i per tant, ser neutres en emissions. En aquest context, l'empresa Microbiotech S.L. ha desenvolupat la tecnologia de Cèl·lula Bàsica de Transferència d'Energia (CBTE), la qual consisteix en conduir energia de microones per un cable coaxial, de forma molt eficient, fins el material a escalfar. Aquest material és un tipus de ceràmica, modificada perquè absorbeixi l'energia de microones, incrementant la seua temperatura ràpidament, però mantenint l'alliberament de calor lenta típica de materials ceràmics. L'objectiu de la tesi va ser incrementar l'estat de desenvolupament d'aquesta tecnologia en la seua aplicació per escalfar fluids, i caracteritzar-la més en profunditat. El primer pas de la investigació es va centrar en trobar el material més adequat per a aquesta tecnologia, amb la premissa d'elevar ràpid la seua temperatura, i alliberar la calor absorbida lentament. Es va escollir una formulació ceràmica amb un 50% de SiC com susceptor. Es va validar la seua aplicació com calefactor d'aire oferint un 40% d'estalvi en comparació amb els convencionals. A continuació, després de tres cicles d'assaig i error, es va construir un prototip d'escalfador de fluids per tecnologia CBTE capaç d'assolir temperatures de pasteurització, funcionar de forma prolongada i oferint una eficiència energètica del 45%. En tercer lloc, per mitjà de simulació multifísica, es van simular diverses variables del prototip. En les simulacions es va trobar un problema de sobreescalfament perquè, a causa del patró de circulació del fluid, part d'aquest romania més temps en contacte amb la placa, la qual cosa es va solucionar mitjançant làmines metàl·liques que guiaven el pas del fluid. Finalment, es va analitzar l'entropia generada pel sistema, examinant la influència de diferents paràmetres, concloent que la principal variable es el fluid a escalfar. En conclusió, s'ha aconseguit obtenir un prototip de tecnologia CBTE per escalfar fluids, es coneixen els passos per millorar-lo en futures iteracions gràcies a les simulacions multifísicas, i es coneix la influència de les diferents variables en la generació d'entropia.

[EN] Thermal treatments have a great impact in the agri-food industry, being the origin of up to 80% of the CO2 emissions generated by this sector in some regions. For this reason, there is great interest in new technologies applied to thermal processes that can be powered by electricity, since it can come from renewable energy sources and therefore be neutral in emissions. In this context, the company Microbiotech S.L. has developed the Basic Cell of Energy Transference (BCET) technology, which consists of conducting microwave energy through a coaxial cable, very efficiently, to the material to be heated. This material is a ceramic, modified to absorb microwave energy, increasing its temperature rapidly, but maintaining the slow release of heat typical of ceramic materials. The objective of the thesis was to increase the state of development of this technology in its application to heat fluids, and to characterize it more in depth. The first step of the research focused on finding the most suitable material for this technology, with the premise of rapidly raising its temperature, and releasing the absorbed heat slowly. A ceramic formulation with 50% SiC was chosen as a susceptor. Its application as an air heater was validated, offering 40% savings compared to conventional ones. Then, after three cycles of trial and error, a prototype fluid heater was built using CBTE technology capable of reaching pasteurization temperatures, operating for a long time and offering an energy efficiency of 45%. Third, by means of multiphysics simulation, various variables of the prototype were simulated. In the simulations, an overheating problem was found because, due to the flow pattern of the fluid, part of it remained in contact with the plate for longer, which was solved by means of metal sheets that guided the passage of the fluid. Finally, the entropy generated by the system was analysed, examining the influence of different parameters, concluding that the main variable is the fluid to be heated. In conclusion, it has been possible to obtain a prototype of BCET technology to heat fluids, the steps to improve it in future iterations thanks to multiphysics simulations are known, and the influence of the different variables in the generation of entropy has been analysed.