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超高压加工过程热特性与温度场模拟的研究

孙伟  
【摘要】:食品超高压加工是一项发展迅速并充满前景的新技术。超高压加工时,在高压腔内压力是各向均匀的,但由绝热压缩升温导致的热效应却是不均匀的,对超高压加工有很复杂的影响。由于耐超高压的测试设备欠缺,使得食品超高压加工相关基础数据有限,成为超高压加工新技术发展应用的瓶颈。论文重点关注食品超高压加工过程的热效应,解决超高压下压力、温度等关键参数测试与校正困难问题,开发适用于超高压环境下的热特性原位测量装备,研究超高压加工过程中物料的热特性;从超高压加工热力学理论出发,构建超高压下传热模型,运用研究得到的超高压下热特性,利用计算机模拟技术研究超高压加工过程的温度场分布与变化情况。论文在工程技术和基础研究两个方面进行创新,提升超高压加工的理论和实际应用水平。具体研究内容、方法和结果如下:1.建立了超高压处理过程压力、温度等关键参数实时采集系统,为超高压下热效应问题研究提供了技术支撑。基于实验室HPP/600MPa/5L型超高压设备设计了超高压下测试系统,安装压力校正、耐高压温度检测装置,通过数据采集仪实现了高压腔内压力和温度的实时采集。设计并制作了聚甲醛套筒保温容器,实现了超高压下样品温度控制。超高压下水-冰Ⅰ的相变压力-温度测试和水的绝热压缩升温测试结果表明设计的测试系统准确可靠。2.测定了物料在不同超高压条件下(压力:0.1~400 MPa,初始温度:有机溶剂5℃和25℃,食品物料15℃~50℃)的绝热压缩升温特性数据,掌握了其绝热压缩升温规律,建立了基于压力和初始温度的超高压绝热环境下物料温度预测模型。绝热压缩升温是超高压加工过程热效应的直接来源,利用设计的超高压下测试系统测定了甲醇等6种有机溶剂,豆腐、面团以及猪肉等3种食品物料的绝热压缩升温特性。结果表明,有机溶剂在超高压处理过程中的绝热压缩升温幅度较大(最大达到了约44℃/400MPa),温度的升高率随压力的增大而降低,初始温度对其绝热压缩升温值影响较小。水和食品物料的绝热温升率随压力的增大无明显降低现象,初始温度越高,绝热压缩升温值越大。建立的基于压力和初始温度的超高压绝热环境下物料温度的预测模型拟合效果良好。3.研制了超高压下食品热传导系数快速测量热探针,测定了食品在不同超高压条件下(压力:0.1~400 MPa,温度:25℃~55℃)的热传导系数,建立了基于压力和温度的食品热传导系数预测模型。在设计的超高压下测试系统和掌握物料在超高压处理过程中绝热压缩升温特性的基础上,根据线热源瞬态传热理论,结合超高压极端环境的特殊性,研制了适用于超高压条件下的食品物料热传导系数测量装置(热探针),并用1.5%的琼脂凝胶对热探针进行了标定实验。测量了豆腐、面团和猪肉在超高压下的热传导系数。结果表明,热探针的校正因子与压力、温度及其交互作用之间无相关关系,研制的热探针的校正因子为1.006;在压力和温度一定时,食品的热传导系数主要由其组成成分决定,温度一定时,食品的热传导系数随着压力的增大而增大,但随压力增大的增长率逐渐下降,压力一定时,食品的热传导系数随着温度的升高而增大。提出的基于压力和温度的二次多项式模型能够较好地预测一定条件下(压力:0.1~400 MPa,温度:25℃~55℃)几种食品的热传导系数。4.将超高压腔体数字化建模,分析了超高压加工过程涉及的热力学过程,利用计算流体动力学软件Fluent模拟了超高压加工过程中高压腔的温度场分布与变化,并进行了实际测试验证,为模拟食品超高压加工过程的动态温度场提供了方法基础。结果表明,计算机数值模拟技术可以方便快捷地分析超高压加工过程中高压腔的温度场分布与变化情况,模拟与实际测试结果基本吻合。压力和初始温度均能显著影响超高压加工过程中高压腔的温度场分布和变化,压力提高,温度场分布更加不均匀,随时间变化更快,初始温度提高,温度场在空间上的均匀性提高,随时间变化更快。5.以猪肉为食品物料代表,用Fluent模拟了食品超高压加工过程中高压腔内的温度场分布与变化,分析了压力、初始温度和样品尺寸对加工过程温度场的影响,动态模拟技术将有助于分析热效应对超高压食品加工的具体影响。结果表明,在超高压加工食品的过程中,食品物料、传压介质和高压腔体之间存在显著的温度梯度,且随时空不断变化,数值模拟技术能够动态分析展现其温度场的分布与变化。压力越高,被处理食品样品的温度场分布越不均匀,且变化更快;初始温度的提高对猪肉样品超高压加工过程中的温度场影响很小;相同条件下,样品尺寸增大会使保压过程中样品的温度场更加不均匀。


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