苹果片干燥微观模型研究与干燥特性分析

发布时间：2020-04-10 15:49

【摘要】：苹果片是在保持苹果原有风味的基础上加工而成的一种休闲食品,而干燥是苹果片加工的关键工艺。干燥实质是苹果组织水分由内向外的迁移过程,在这个过程中苹果组织结构会发生一系列物理、化学和生物方面的变化,而这些变化都与苹果组织内的水分和温度分布息息相关,因此了解干燥过程中苹果组织细胞结构在不同时刻,不同位置处的水分及温度,对提高苹果片加工品质,降低能耗具有重要意义;另外,欧姆加热作为一种可以有效提高苹果片干燥速率的预处理手段,目前理论方面的相关研究较为缺乏。本文基于有限元仿真的研究手段,构建苹果片干燥的宏观模型及微观模型并试验验证,分析不同干燥条件下苹果组织的干燥特性,以及不同细胞微观结构内水分迁移规律,并基于宏观模型和微观模型分析欧姆加热预处理对苹果干燥特性的影响。(1)基于Voronoi多边形构建苹果组织细胞微观几何模型。几何模型细胞面积频率分布与真实苹果对比相似度较高,表明这种苹果微观几何模型可以描述真实苹果组织细胞结构。(2)构建苹果组织内水分迁移微观模型并进行验证。结果表明,不同风速条件下苹果组织的水分比的模拟值和试验值拟合很好,表明模型能够很好的描述苹果组织微观结构内水分的迁移过程。根据微观模型分析苹果不同微观结构内的水分迁移规律,发现苹果组织表面失水速率比中心快100~1000倍;在干燥过程中细胞壁失水最快,细胞内次之,细胞间隙失水最慢(3)建立苹果片热风干燥传质传热微观模型及宏观模型,并试验验证。结果表明模型能够较好的描述苹果片干燥过程中的水分和温度变化,但宏观模型相较于微观模型更能反映苹果片整体的含水率变化,但微观模型中的水分分布更能反映苹果片真实的干燥情况,并且宏观和微观模型的温度分布情况高度相似;分析了热风的温度和风速对干燥特性的影响,在外界湿度不变的条件下,发现温度越高,风速越大,苹果片失水越快;并且风速的影响大于温度;其次宏观模型对苹果片的干燥特性的描述优于微观模型。综上所述,宏观和微观模型各有利弊:微观模型更能真实反映苹果组织内的水分分布情况,而宏观模型对于苹果片干燥过程中水分变化的描述更为准确。(4)试验研究不同欧姆加热预处理条件对苹果片热风干燥特性的影响。结果表明,处理电场强度越大、温度越高,热风干燥速率越快;欧姆加热预处理后的干燥速率常数变化范围为0.01834~0.02191,均高于未处理的0.01726;欧姆加热的电场强度和处理温度越高,苹果组织有效水分扩散系数越大。并基于宏观模型分析发现,欧姆加热预处理可以有效提高苹果片的干燥速率,并且欧姆加热预处理和未处理的苹果片对比明显;并基于微观模型分析苹果细胞微观结构参数对苹果干燥特性的影响,结果发现,在干燥过程中P_m越大,细胞内和细胞壁水分分布越均匀,这有利于苹果片的进一步干燥;D_w越大,苹果组织失水越快,但苹果组织的水分特性参数对干燥速率的影响远远不及外界干燥条件的影响。
【图文】：

对流干燥,苹果,几何模型

4 几何模型构建的具体操作苹果组织的细胞微观结构是极为复杂的，为了便于几何模型的构建，并节约后续模型仿真计算的时间，因此几何模型建立了一个只包含 1200 个细胞的 1.1mm 厚果组织块，根据模型需要也可以构建尺寸更大的苹果组织几何模型。在 matlab的 Voronoi 图的基础上，将生成的 Voronoi 图导入 CAD（2017）绘图软件以实现间隙和细胞壁的进一步构建。苹果组织干燥过程的数学模型构建1 苹果片对流干燥的求解域对于空气对流环境，设置空气环境的求解域尺寸为 0.4m×1m，该尺寸远远大于试样的尺寸 1.1mm×13.2mm，以保证干燥过程中空气内的相对湿度恒定，苹果置于空气环境求解域的中心位置，如图 2-4 所示。图 2-3 苹果组织微观几何模型Fig.2-3 micro geometry of apple tissue无滑移壁

苹果,水分,试样,含水率

西北农林科技大学硕士学位论文模型的验证织在 3 组不同风速下失水 60s，样本水分比随时间的变化如图,点为试验值。在失水前期，组织含水率降低较快，之后含水率值和仿真数据基本吻合。60s 干燥时间下，，试验数据和仿真值1m/s 和 2m/s 对流速度条件下，分别为 0.9970，0.9975 和 0.9表明苹果组织微观数学模型可以成功的描述对流条件下组织0.5m/s
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TS255.42

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