西瓜热物性的测定及冷藏过程模拟.ppt

西瓜热物性的测定及冷藏过程模拟谢 珊 吴江涛 西安交通大学热流中心2010年9月 • 青岛第七届全国食品冷藏链大会The 7th China Cold Chain Conference目录第七届全国食品冷藏链大会研究背景研究现状西瓜物理性质实验研究数值模拟结论与展望研究背景第七届全国食品冷藏链大会冷冻加工冷冻贮藏冷藏运输冷冻销售食品冷链组成研究背景第七届全国食品冷藏链大会3T3T原则原则TimeTime 时间时间ToleranceTolerance 耐藏性耐藏性TemperatureTemperature 温度温度遵循“3T”原则研究背景u不同种类的冷冻冷藏食品，其最适降温速率、保藏 温度等可能是不同的，因此，依照经验来指导速冻 加工比较盲目，并且可能造成能源的浪费u有研究表明快速降温的保存质量普遍好于慢速降温 然而，冻结太快也是有害的，由于冷却过快，热 量来不及传递，样品内外的温差较大，产生的热应 力容易造成样品断裂u如果先对食品冷冻冷藏过程进行模拟，在此基础上 确定工艺条件，对获得最高质量的产品有十分重要 的参考价值第七届全国食品冷藏链大会研究现状u食品的冷冻冷藏过程不仅与其自身的导热系数、形 状和表面积等因素有关，还受外界的温度、介质的 流动等性质的影响。

u目前的冷冻过程的模拟计算比较简单，粗略，有的 是根据经验确定物性参数，存在显著缺陷通过实 验获取准确的导热系数，比热和密度值，为数值模 拟提供必要的物性参数，是很有研究价值的第七届全国食品冷藏链大会物理性质实验研究实验选取结构相对简单的无籽西瓜作为研 究对象，通过实验获取下列物性参数：l密度l导热系数l比热第七届全国食品冷藏链大会密度测量u实验原理无籽西瓜的密度采用以下计算公式：式中：ρ——密度 ；m ——样品质量 ；V ——样品体积u实验方法切取瓜瓤、瓜皮样品各3块，电子分析天平称重， 测量精度为0.01g；利用排水法测量体积，体积测量 精度为0.5ml 第七届全国食品冷藏链大会密度测量u实验结果 无籽西瓜瓜瓤瓜皮密度第七届全国食品冷藏链大会瓜皮密度(kg/m³)瓜瓤密度(kg/m³) 1833.331919.56 2848.482924.40 3848.243910.64 平均值843.35平均值918.20导热系数测试u无籽西瓜样品具有含水量高的特点第七届全国食品冷藏链大会导热系数测试探针法的优点第七届全国食品冷藏链大会1.易于插入试样中，测量方便2.测试迅速3.试样温升小，结果近似试样实际工作状态4.测试结果复现性好导热系数测试u探针法基于线热源瞬态模型u探针法的理想模型是：l在无限大的等温介质中置入长度无限长、直径无限小的线热源l初始状态下, 热探针和被测样品达到热平衡l用恒定功率的热流对线热源进行加热，根据线热源的温度随时间的变化关系就可以得到介质的导热系数第七届全国食品冷藏链大会导热系数测试导热系数推导公式：式中： k —— 导热系数（W/m·K） ；Q —— 单位长度的加热功率 ；t0 —— 初始时间（s） ；t —— 时间（s） ；△T0—— 基于t0的温度上升（℃） ； △T —— 温升（℃）。

第七届全国食品冷藏链大会导热系数测试u本实验中探针的制作参照E. G. Murakami在文献中 介绍的探针结构，具有装置制作简便，数据处理简 单的优点第七届全国食品冷藏链大会导热系数测试u探针测量导热系数的实验系统主要由温度采集数字 多用表、工控机、稳压电源、探针装置组成：第七届全国食品冷藏链大会导热系数测试u探针装置的标定利用分析纯的甘油对探针装置进行标定，实验测 定了20℃分析纯甘油的导热系数值与标准值进行对 比，结果显示误差小于5%：20℃分析纯甘油的标定结果第七届全国食品冷藏链大会U(V)I(A)k实验值（ W/m·K)k理论值 （W/m·K)Er（%）20.31650.2938120.287092.34 20.31670.2875710.287091.68 20.31660.2873100.287090.77 20.31670.3000770.287094.52导热系数测试利用探针装置测试无籽西瓜的瓜瓤和瓜皮在20℃条件下的导热系数值，结果见下表：无籽西瓜的瓜瓤和瓜皮20℃的导热系数值第七届全国食品冷藏链大会样品名称瓜皮瓜瓤导热系数（W/m·K)0.58290.4661 0.57770.4786 0.58060.481 平均值0.58040.4752比热的测定第七届全国食品冷藏链大会比热可采用瑞典Hot Disk公司生产的Hot Disk 热 常数分析仪-2500S。

Hot Disk 利用的是瞬态平板热 源法测试采用探头型号为5464，功率0.05W，时 间40s实验结果如下表：无籽西瓜的瓜瓤和瓜皮的比热数据样品名称瓜皮瓜瓤比热{MJ/m³·K）4.4253.697 4.4683.628 4.4093.667 平均值4.4343.664数值模拟模拟时对无籽西瓜进行适当简化，假定西瓜为 球形，由瓜皮和瓜瓤两部分组成，选取西瓜模型的 半径为150mm，瓜皮厚度10mm由于模拟过程的 温度变化较小，假定西瓜为常物性，物性参数见下 表假定西瓜内部起始温度为298.15K，瓜皮外环境 恒温277.15K模拟所用的物性参数u 第七届全国食品冷藏链大会密度 (kg/m³)比热 （J/kg·K）导热系数 （W/m·K) 瓜皮843.355257.60.5804 瓜瓤918.23990.40.4752数值模拟u能量方程的求解借助商业代码Fluent，能量 方程中对流项离散采用二阶迎风格式，扩散 项离散采用中心差分格式，非稳态时间步长 为取为60su模拟过程中，在距离西瓜中心0，30，60， 90，120，147.5mm（瓜皮中心）处设置监 控点，监控各点的温度随时间的变化情况。

第七届全国食品冷藏链大会数值模拟u下图显示各监控点的数值模拟结果第七届全国食品冷藏链大会结论u实验以无籽西瓜为研究对象，对导热系数、密度和 比热值进行测试，利用所的数据对西瓜的冷藏过程 进行了简单的模拟，得到西瓜冷藏过程中内部各点 的降温过程和速率u通过数值模拟，可以对西瓜内部的降温过程有直观 的了解，可以知道样品各阶段的冷却程度数值模 拟的结果也可以为冷藏冷冻产品的加工条件的选择 和优化提供参考第七届全国食品冷藏链大会展望u冷藏冷冻的模拟对于了解样品冷藏冷冻过程，选择 、优化工艺参数有重要的意义随着模拟技术的发 展，对样品导热系数、比热等物理性质参数需求的 增大，物性的测试仪器和方法也有待进一步的研究 和优化u为适用更多的体积微小的生物样品的测试需求，实 验装置的微型化、实验结果的准确性以及实验过程 的简化等都是未来的研究方向第七届全国食品冷藏链大会谢谢聆听第七届全国食品冷藏链大会。