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《华南理工大学》 2010年
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食品体系通电加热过程温度场的模拟研究

姜欣  
【摘要】:热加工是食品加工和食品保藏中最重要的技术。但是热加工过程中的加热速度和加热不均匀导致食品品质和安全的问题也一直困扰学术界和工业界。解决这个问题有多种途径:一是强化传热,设计新型的加热设备。这是研究时间最长,也最成熟的技术,但是其进一步发展潜力有限;二是采用非热加工。采用非热食品加工和保藏方法例如超高压,高压脉冲电场,超声波,强光等一直是热门课题,但是由于非热杀菌往往不能提供热杀菌同等的食品安全保证,而且,非热杀菌很难彻底解决酶灭活的问题,因此,这些方法现在在工业应用还很有限;三是采用新型的加热方式,使热量能在食品内部产生,减少热传递阻力,大大提高传热效率。有代表性的加热方法就是远红外加热,微波加热和通电加热。这类食品热加工方法是目前最有前途的食品加工技术。与远红外和微波相比,通电加热的作用深度不受限制,是一种非常理想的加热方式,是近来食品热加工理论和技术的一个热点。人们已经采用试验研究方法较深入地研究了通电加热,近年来,在数值模拟方面也取得了相当的进步,但是,要充分发挥通电加热的作用,必须更加深入系统地研究食品通电加热。影响通电加热温度场的本质因素就是:一个是电流产生的内源热,二是各个质点间的传热。影响电流产生内源热的就是电导率的分布和电场,影响各质点间的传热的主要是流动和导热系数。本研究针对通电加热中的本质因素,研究多种非均相食品体系模型中物性因素,物料几何因素,电极几何因素等对体系电场、传热,进而对温度场的影响。 1)研究了电极形状对通电加热的影响。结果表明:电极形状对电流密度分布和温度分布有较大的影响。当电极间物料的电导率均匀一致的情况下,矩形和圆形平板电极的温度分布和电流密度分布都均匀一致,而其它三种形状电极的温度分布都不均匀,电流密度在与流场接触的拐角处出现最值。对于电导率不均匀的物料,在平板电极中加热,其电流密度场和温度场是不均匀的。对于大尺寸的电导率不均匀的固体物料的直接加热,采用弧形电极,有可能得到均匀的温度场;而且,弧形电极可以减少充填液体的使用,因此提高加热速率,提高能量效率。 2)论文模拟研究了含有单个绝缘体的食品体系,结果表明:通电加热过程中,温度场的冷点不仅和物料的电导率有关,而且还受加热过程中传热现象的影响。食品体系中绝缘体的导热率对整个物料中的冷点位置有较大的影响,但是不同导热率对物料的边界散热没有明显的影响;物料边界的散热及温度与边界的传热系数有关,当加热设备的保温性能较差时,物料的与设备的接触有可能成为通电加热的冷点。 3)模拟研究了含单个块状固体物料的非均相食品物系中固体物料的相对电导率及方位对通电加热温度场的影响。结果表明:在含固体的混合体系的通电加热过程中,固体的形状、大小以及固体与流体电导率的比值都会对物料的加热速率及温度场的均匀性产生很大的影响。不管固体的电导率高于流体还是低于流体,都有可能出现固体加热不足以及物料的局部区域过热的现象,调整电极或者物料的取向,可以减少加热的不均匀性。 4)模拟研究了食品体系中含有多个电导率不同的物体时的通电加热。结果显示:在多相物料体系下,各组分的加热速率不完全由电导率的大小所决定,电导率越大,有可能加热速率反而越小,反之亦然。但是当电导率小到一定的程度时,其电加热的速率下降,组分的热量来源主要是物料之间的热传导。组分之间的电导率差距越大,整个物料的温度场的温度最高点与最低点温差越大。物料的加热速率由电流密度和电场强度综合决定,不能简单由电导率的大小来判断物料中的温度分布。 5)模拟研究了液态食品的连续通电加热过程。研究结果表明,不同入口速度对加热室的温度分布有很大的影响,中心温度模拟计算值与参考文献的误差仅为2.32℃。流体流过微型圆孔进入加热室,在接近加热室两端极板45°处出现速度较低,导致流体在此处停留的时间长,出现过热现象;反之,速度越高则加热室的温差、中心温度和出口温度越低。由于加热物料的热敏性,要整体考虑局部温度、整体温度和出口温度来确定最佳的进口流速。模拟结果表明有限元计算模拟能够很好地预测液态食品连续通电加热过程的速度分布与温度分布,精确的材料参数和边界条件也利于提高模拟预测的准确性。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TS205

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【引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 朱敏;豆浆通电加热实验及数值模拟初步研究[D];山东农业大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【共引文献】
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【同被引文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
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10 马光柏;氧化铝回转窑热工仿真的研究及应用[D];中南大学;2006年
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