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微波复热米饭过程温度分布规律的研究以及传热模型的建立

作　者: 李春香
导　师: 陈卫
学　校: 江南大学
专　业: 食品科学
关键词: 米饭微波复热温度分布传热模型
分类号: TS217.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

方便米饭具有易携带、食用方便、健康安全等特点,深受米食消费者的喜爱。微波作为一种新型加热方式,具有整体加热、速度快、营养损失少等优势,在米饭复热中的应用越来越广泛。微波复热米饭的关键是加热的均匀性,影响微波加热均匀性的因素有食品的形状、大小、热特性和介电性等。本研究分析了与米饭微波复热有关的热物性和介电性,以圆柱型米饭作为研究对象,考察不同半径和高度直径比米饭微波复热过程的温度分布规律,通过对加热均匀性进行分析,选取最优的米饭尺寸,并运用数学模型来预测微波复热的温度分布,探究作用机制。首先根据非稳态热线法设计一种含加热丝的稳压电路,并结合在线测温的方法测定米饭的导热系数。运用差示扫描量热仪研究了米饭比热与温度的关系。采用介电特性测定仪结合程序控温研究频率和温度对米饭介电特性的影响,并对结果进行回归拟合和相关性分析。结果表明:温度对米饭的比热和介电损耗影响显著,而对导热系数和介电常数影响较小;频率为915MHz时米饭的介电常数大于频率为2450MHz时的介电常数,介电损耗因数则相反。研究样品尺寸大小对微波复热米饭过程温度分布规律的影响。选择三种不同半径和四种高度/直径比的圆柱型米饭作为研究对象,运用微波工作站和光纤温度探针测定样品内部温度,探讨微波复热米饭的温度分布规律,得到在相同半径下,随高度/直径比的增加,米饭内部温度热点由中心向周围转移;在L/D≤0.75时,半径增大导致温度热点向几何中心区域集中。在0.75≤L/D≤1.25时,半径增大温度热点向边角和表面转移。并选择基于标准偏差的温度变化系数(COV)分析温度均匀性,确定了微波加热均匀性最好的圆柱型米饭(半径4 cm,高度4 cm)。本文根据能量守衡定律、傅里叶方程等传热理论构建圆柱型米饭微波复热的传热模型,采用朗伯定律计算微波吸收功率,结合符合米饭特性的初值和边界条件,用数值算法有限差分法(FDM)处理数学模型,运用计算机软件MATLAB进行编程,实现数值预测米饭微波加热过程中的温度分布规律。同时结合模拟结果进行对照实验,将模拟结果与实验结果进行对比分析,完善所建立的数学模型和计算参数,最终实现了温度数值计算与实际测量结果的良好匹配。本研究为可微波米饭的设计提供了理论依据,为米面类传统食品微波化技术的研究与开发奠定了基础。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
1 前言  8-13
  1.1 方便米饭的现状及发展趋势  8
  1.2 食品热物性和介电性的研究现状  8-9
    1.2.1 食品热物性和介电性的研究意义  8-9
    1.2.2 国内外食品热物性和介电性的研究概况  9
  1.3 食品微波加热吸收功率的研究  9-10
  1.4 食品微波加热数值模拟的国内外研究概况  10-11
  1.5 立题意义及研究内容  11-13
    1.5.1 立题意义  11-12
    1.5.2 研究内容  12-13
2 传热理论与数学模型  13-18
  2.1 数学模型  13-14
  2.2 单值性条件  14-15
  2.3 单位体积内热源产热  15-16
  2.4 数值求解  16-18
3 材料与方法  18-23
  3.1 原料与试剂  18
  3.2 实验仪器  18
  3.3 试验方法  18-23
    3.3.1 样品制备  18-19
    3.3.2 米饭微波复热工艺  19
    3.3.3 原料和米饭主要成分测定  19
    3.3.4 米饭理化指标测定  19-20
      3.3.4.1 吸水率测定  19
      3.3.4.2 膨胀率测定  19
      3.3.4.3 吸光率测定  19
      3.3.4.4 米饭碘蓝值  19-20
      3.3.4.5 酶解率测定  20
    3.3.5 物性测定  20-21
      3.3.5.1 密度的测定  20
      3.3.5.2 比热容测定  20
      3.3.5.3 导热装置的设计及导热系数的测定  20-21
    3.3.6 米饭介电特性的测定  21-22
    3.3.7 失重率的测定方法  22
    3.3.8 微波复热过程中样品温度的变化  22
    3.3.9 微波实际输出功率的测定  22
    3.3.10 样品吸收功率的测定  22
    3.3.11 数据处理  22-23
4 结果与分析  23-42
  4.1 性质分析  23
    4.1.1 原料和米饭主要成分分析  23
    4.1.2 米饭理化指标  23
  4.2 米饭物性测定  23-28
    4.2.1 密度  23-24
    4.2.2 温度对米饭比热的影响  24
    4.2.3 温度对导热系数的影响  24-25
    4.2.4 介电特性测定  25-28
  4.3 微波复热米饭温度分布规律的研究  28-33
    4.3.1 样品尺寸对温度分布规律的影响  28-30
    4.3.2 不同加热时间的中心线温度变化规律  30-32
    4.3.3 样品尺寸对温度分布均匀性的影响  32-33
  4.4 微波复热米饭温度预测分析  33-42
    4.4.1 微波复热对米饭失重率的影响  33-34
    4.4.2 微波复热过程样品的吸收功率  34-35
    4.4.3 样品单位体积的吸收功率分析  35-37
    4.4.4 微波复热过程样品温度的实验结果  37-39
    4.4.5 样品内温度场的模拟结果与实验结果的比较  39-42
5 结论  42-43
致谢  43-44
参考文献  44-48
附录  48-55
  附录 1 命名表  48-49
  附录 2 FDM 算法的数值稳定性要求  49-50
  附录 3 在 MATLAB 软件平台上进行温度数值计算的程序  50-55
攻读硕士学位期间发表的相关论文  55

微波复热米饭过程温度分布规律的研究以及传热模型的建立

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