农业食品部门，制冷过程的建模和模拟

在欧洲和意大利，冷冻产品的消费量持续增长，年增长率高达2.7%，市场价值超过1000亿欧元。IIAS 2019年数据显示，全国消费量为84.99万吨(同比2018年增长1.3%)，人均年消费量超过14公斤，估计总市场价值为4400 / 47亿欧元。

除了鱼、食谱、甜点和水果等其他产品，植物食品是该领域的驱动力。2019年，蔬菜在零售业中占比超过43%，豌豆等简单蔬菜，其次是菠菜、青豆和土豆，各种汤和蔬菜汤都恢复了增长。

随着时间的推移，冷冻食品保持了原食品的营养价值和感官特性，从而降低了由于产品本身变质而造成的食物浪费。由于这些原因，冷供应链及其管理承担着基本的重要作用，在加工、冷冻和保存阶段，直到销售柜台上的展示和最终消费过程中，保持过程的效率和产品的质量。因此，正确的冷链管理必须响应多个目标:

• 提高生产的可持续性，改善冷冻产品的质量。在这方面，数字化管理可以监测温度波动，这是导致产品质量和安全下降的主要原因。
• 对冷却和包装设备卫生状况的正确监测，在这种情况下，也可以转化为对可能临界点的控制，包括工厂和产品温度的确定和管理。
• 能源消耗优化。冷链的数字化管理，实际上可以通过及时检测异常温度变化，从而达到较高的生产效率，并提高针对性维护的有效性。

这个项目教练（农业食品链中的冷管理:过程解决方案数字化,Https://coachproject.it)适合此环境，以响应所描述的一些目标。这个项目是由。米尔科Morini(帕尔马大学)，并涉及几个大学研究中心和一些产业合作伙伴，特别是:

• 研究中心
  • 帕尔马:帕尔马大学农业食品创新安全技术跨部门中心
  • 皮亚琴察圣心大学地理空间分析和遥感研究中心
  • 博洛尼亚大学工农业食品跨部门研究中心
  • 博洛尼亚大学校际通信技术产业研究中心。
  • 大区科技S.C.P.A.
• 工业合作伙伴
• 奥罗格农业合作社
• DNAphone开发。
• Onit集团开发。
• Siram公司。

在项目过程中，一些冷冻植物产品的特点是通过解决冷链和产品质量变化之间的关系。生产过程研究和数字化控制的创新技术将以产品稳定和过程能量管理的改进为目标。

该项目的最终目标是开发一个用于蔬菜加工厂冷链优化管理的集成系统原型，并在工业环境中对其进行验证。

该原型将集成创新的硬件(基于通过云平台集成的在线测量和离线感官获取的物联网网络)和软件(因为过程和数据传输网络的管理基于优化其性能的算法)。这个项目的中间结果也可以在其他领域找到有趣的应用。研究结果可分为方法和关注事项:

• 过程分析和识别生产和冷链关系的关键问题的能力;
• 制冷与冷冻过程仿真模型的建立
• 冷管理优化算法的开发
• 网络管理优化算法的开发。

CRAST研究中心在这个项目中的作用是为工厂转化过程的冻结阶段开发一个数学模型。目标是开发一种建模和构建平台的方法，该平台将提供运行条件的完整分析，并允许预测工厂的绩效(kpi，关键性能指标)．

该数学模型将与优化算法(由SITEIA.Parma开发)结合使用，以最节能的方式管理工业合作伙伴Orogel用作冷却流体的空气生产。特别是，该模型将允许验证所产生的空气变化的影响，例如相对湿度或温度，对产品本身，始终确保冻结特性保持。

必须包含在一个优化过程,模型基于质量和能量预算,必须需要一个低计算(即减少计算时间),同时保持良好的精度评价的关键参数,例如,例如,温度随着时间的推移,食物中的关键控制点。在文献中有各种各样的数学模型来模拟制冷过程，可以归纳为三大类:经验模型、理论模型和混合模型。

第一个模型基于经验公式，用于评价冻结时间和不同的相关性质，如冰分数、束缚水分数和对流换热系数[3]。这些模型具有非常快的分辨率，但是它可以评估单个参数(即冻结时间)。相反，理论模型是基于三维热方程的解析，允许通过微分方程的偏导数解析来计算相关的性质，如对流换热系数或冰点温度。

这些模型，通过使用计算流体动力学解决，但是，需要长计算时间[2]。最后，正如其名称所示，混合方法利用了前两种方法各自的一些特性。特别是，他们使用经验公式来评价性质，同时求解一维热扩散方程，从而允许评价食物[4]内的温度变化。因此，这些模型在较低的分辨率下非常精确，这使得它们适合于项目的目的。

然而，这些模型也存在一些缺陷，在项目的过程中已经得到了解决，比如无法对菠菜块、薯条等简单成品的温度变化进行评估。一旦选择了模型类型，另一个关键方面是对食品特性(例如比热、传导性、密度等)的评估。这些特性在很大程度上取决于食品的化学成分和温度。

因此，一般来说，很难建立一个关于所有可能条件和食品成分的实验数据库。根据食物的主要成分，即水、蛋白质、脂肪、碳水化合物、纤维和灰分，确定了食物的种类。由此可以根据温度[5]计算出食物的性质，并具有一定的可靠性。

将一种物质定义为其主要成分的混合物当然是有限制的，但这允许有弹性，以便既能在能量上优化过程，又能潜在地减少冻结时间。此外，根据其成分对食品的定义允许通过使用快速和广泛验证的分析方法来快速描述食品本身。

例如，由于该模型，可以根据要冷冻的同一食品的不同批次来调整冷冻时间，而不仅仅是根据不同的食品类型。一旦性质已选定和经验定律已定义，求解热扩散微分方程Matlab代码已开发。

作为一个例子,一些可能的结果,可以从模型获得,如温度的变化作为时间的函数的几何中心上的食物和表面(图1 a)和几何中心的距离的函数在给定的时刻(图1 b)。

总之,因此,教练项目中的模型是有效的(即它需要合理快速计算),灵活(能够代表不同类型的食物),同时准确如果食物被认为是可以吸收定义几何图形(如一个圆柱体,球体或平行六面体)。这个模型既可以用来减少食物的冷冻时间，也可以用来优化冷气或冷却剂的生产过程。在这方面，有趣的是，可以指出如何将冻结过程包括在一个能源优化计划中，还包括后续阶段，如运输和存储。从这个角度来看，也许宁愿在冷冻阶段不修改工艺条件，冷冻产品也可以作为一个能量蓄能器在接下来的阶段进行开发，始终保证食品的质量。尽管有一些关于这个主题的研究，这种方法仍然可以改进，无论是在经验性质方面，还是在食品定义中允许的几何形状方面。

确认

该研究是在埃米利亚-罗马涅实施的CoACh项目框架下进行的，这得益于欧洲基金- 2014-2020年POR ERDF计划。

安德里亚Bassani¹Guillermo Duserm Garrido^1，2,罗伯塔Dordoni¹蒋禄卡,Giuberti¹, Spigno Giorgia^1，2＊

¹圣心天主教大学食品科学与技术促进可持续农业食品链(DiSTAS)， Via Emilia Parmense 84, 29122 Piacenza

²天主教圣心大学，克拉斯特-地理空间分析和遥感研究中心，Via Emilia Parmense 84, 29122 Piacenza

* giorgia.spigno@unicatt.it

文学

［1］www.istitutosurgelati.it wp-content /上传/ 2020/06 / IIAS_REPORT_CONSUMI_2019.pdf

［2］Zhao, Y， & tahar, P. S。(2017)。食品冷冻:数学和实验方面。食品工程评论，9(1)，1-12。

［3］范教授,问:．(1986)。食品冷冻时间预测的简化方程。国际食品科学与技术杂志，21(2)，209-219。

［4］费雷拉，s.r， &罗哈斯，洛杉矶。(2019)。用食物表面温度的时间导数计算冷冻时间。国际制冷杂志，98,436-443。

［5］范教授,问:T。（2014）.食品冷冻和解冻的计算。施普林格。