Sütlü buz ürünlerin üretiminde kalıp içindeki ısı geçişi ve donma süresinin deneysel ve sayısal incelenmesi
The experimental and numerical investigation of freezing of milk and water ice products in the mould
Yazar: ÖMER ALP ATİCİ
Danışman: PROF. DR. DERYA BURCU ÖZKAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Gıda üretimi = Food production ; Isı geçişi = Heat transfer ; Sayısal analiz = Numerical analysis

Özet:
Dondurma üretiminde donma süresi, nihai ürün kalitesi ve üretim verimliliği açısından en kritik parametrelerden biri olarak öne çıkmaktadır. Donma süresi, dondurmanın dokusu, tadı ve genel kalitesini doğrudan etkilediği için bu sürecin doğru bir şekilde hesaplanması, üretim sürecinin optimize edilmesi açısından büyük önem taşır. Bu çalışmada, dondurma tariflerine dayanarak donma süresini belirlemek amacıyla dondurma örneklerinin ısıl özellikleri teorik ve deneysel yöntemlerle analiz edilmiştir. Özellikle suyun gizli ısısını hesaba katmak için yeni bir özgül ısı korelasyonu geliştirilmiş ve bu korelasyon, literatürdeki deneysel ve teorik sonuçlarla karşılaştırıldığında %2,5'lik bir uyum sağlanmıştır. Deneysel çalışmalara başlanmadan önce, ölçüm yeterliliği analizi yapılmış ve bu sayede elde edilen verilerin güvenilirliği sağlanmıştır. Çalışmada ayrıca, donma sürecine etki eden parametrelerin birbirlerine göre önem sıralamaları araştırılmıştır. Parametrik analizler sonucunda su-glikol karışım sıcaklığının donma süresi üzerinde en önemli etken olduğu, buna karşın dondurma içindeki hava miktarının en az önemli parametre olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca, hava taşınım katsayısının donma süresi üzerinde anlamlı bir etkisinin olmadığı bulunmuştur. İleride yapılması planlanan çalışmalarda, su-glikol çözeltisine alternatif olarak farklı soğutma sıvıları kullanılabilir ve bu yeni sıvıların donma süresi üzerindeki etkileri araştırılabilir. Aynı zamanda kalıp boyutlarının donma süresi üzerindeki etkisi de araştırmaya değer bir konu olarak öne çıkmaktadır. Farklı dondurma tarifelerine göre ortaya atılan özgül ısı denkleminde yapılacak sınamalar, bu denklemin farklı formülasyonlarda da geçerliliğini doğrulayabilir. Ayrıca, farklı dondurma tarifeleri ile yapılacak deneysel çalışmalar ve sayısal analizlerin karşılaştırmaları, üretim sürecinin optimizasyonu açısından önemli bilgiler sunacaktır.

Abstract:
The freezing time in ice cream production is one of the most critical parameters affecting the final product quality and production efficiency. Since the texture, taste, and overall quality of ice cream are directly influenced by the freezing time, accurately determining this time is crucial for optimizing the production process. In this study, the thermal properties of ice cream samples were analyzed using theoretical and experimental methods to determine freezing time based on different ice cream formulations. A new specific heat correlation was developed to account for the latent heat of water, which showed a 2.5% agreement with experimental and theoretical results from the literature. Before starting the experimental studies, a measurement adequacy analysis was conducted to ensure the reliability of the data. The study also investigated the relative importance of the parameters affecting the freezing process. Parametric analyses revealed that the temperature of the water-glycol mixture was the most significant factor influencing freezing time, while the amount of air in the ice cream was found to be the least significant. The initial temperature of ice cream inside the mold was identified as the second most important parameter for freezing time. Additionally, the heat transfer coefficient of air was found to have no meaningful effect on the freezing time. Different convection heat transfer coefficients were tested for the upper boundary of the ice cream sample, but there was almost no effect on the center point temperature change of the sample. Future studies could explore the use of alternative cooling fluids to the water-glycol solution and investigate the impact of mold size on freezing time. Furthermore, the validity of the proposed specific heat equation can be tested for different ice cream recipes, and comparisons between experimental studies and numerical analyses using various ice cream formulations could provide valuable insights for optimizing the production process.