豆浆通电加热实验及数值模拟初步研究

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食品物料的加热是食品加工中十分重要的操作,它不仅直接关系到最终产品的质量,而且还关系到加工过程中能源消耗及其制造成本的高低。食品物料的通电加热技术是食品工程中的一门新兴技术,它是在电路中把物料作为一段导体,利用物料本身在导电时所产生的热量达到加热的目的。国外对通电加热技术的研究起步较早,目前已有成功运行的连续通电加热设备,在美国、英国和日本等国家正处于推广应用以及新型设备的开发研究阶段。目前我国对食品物料的通电加热研究处于起步阶段,国内还没有成功运行的连续通电加热设备,对连续通电加热装置的研究也只处于探索阶段。随着计算机技术和数值计算技术的发展,有限元分析已经成为解决复杂物理场问题的有效方法。通过对数学模型的模拟分析,不仅可以直观地了解通电加热过程中物料内部温度与速度的分布情况,而且可以节省大量的试验时间和成本。因此,为了更好的发展通电加热技术,研究不同条件下豆浆的升温速率与电导率的变化规律以及数值模拟在通电加热中的应用是非常有意义的。本论文主要开展两方面的研究工作:一方面以豆浆为研究对象,利用自制小型可拆卸式连续通电加热装置及静态通电加热装置研究了豆浆在不同电场条件下通电加热,其温升速率及电导率的变化规律;另一方面应用有限元分析软件对通电加热的豆浆进行数值模拟的初步研究。主要包括以下几个方面:1)设计制作了液体食品连续通电加热系统,并用该系统对豆浆进行了通电加热实验,结果显示该系统能够均匀、快速地对豆浆进行通电加热,并能利用电压、电流传感器以及T型热电偶结合数据采集器采集加热过程中的电压、电流及温度信号,加热过程中,设备运转良好,试验完成后,设备拆卸清洗方便。2)利用液体食品通电加热系统分别连接静态通电加热与连续通电加热的加热室,研究电场强度对豆浆电导率的影响。研究发现,在频率500Hz~10kHz范围内,豆浆的电导率随电场强度的升高而加大,频率对其无影响。3)研究50Hz时,电源波形及电场强度对豆浆通电加热的影响。研究发现,电导率不随电场强度的变化而变化,正弦波的电导率大于双极性方波的电导率,同一点位置处正弦波的温升速度大于双极性方波的温升速率。4)将有限元法的思想应用于通电加热过程,对静态通电加热的豆浆进行了数值模拟,与实验值进行比较,验证数值模拟的结果。结果显示:有限元法能直观显示加热室及其周围的温度分布,较准确的预测豆浆静态通电加热过程中的加热规律,并分析了其误差的形成原因。5)利用有限元法对连续通电加热的加热室内豆浆的速度场进行数值模拟,并对不同形状加热室内豆浆流动状态进行模拟研究,得到研究所需的加热室形状,从而有效节省人力、物力,缩短试验或通电加热设备研发的周期。
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