红外杀青脱水苹果片传热传质模拟与装置研究

论文摘要

杀青和脱水是蔬菜和水果延长货架期的两个很必须的过程，该过程能分别使酶失去活性和降低水分活度。最近发展起来的中远红外技术表明应用近远红外进行同步干燥杀青和脱水的技术比现在传统的杀青和脱水技术有较大的优势。红外同步杀青有着加热均匀，热效率和生产效率高，较短的过程处理时间，较高的最终产品质量，无废水产生而更利于环境保护等优势。此外这个过程中杀青和脱水能够一步完成，而传统方法中需要杀青和脱水分步进行，这样该过程节约了时间和能源并使设备简单化。在本研究中红外加热干燥系统应用了天然气接触催化红外发生器技术和自动化控制技术。数学模拟方法在本研究中得到了应用，应用该数学方法可以预测在红外杀青脱水条件下物料内部的传热和传质机理以及酶的失活动力学。在建立数学模型的时候，物质内部的热传导模型遵照傅立叶法则，传质模型遵照费克定律，该模型均在一维条件下建立。在传热过程数学模型方程中考虑了红外能到达物体表面被物体吸收而后穿入到物质内部达到一定深度，模型的边界条件为在物体表面考虑红外能和自然对流换热边界条件，在物体的中心部分边界条件为没有热交换和质交换边界条件。穿透物体到达内部的红外能作为能源的内部生成项体现在传热方程中。在本研究中两种酶多酚氧化酶(PPO)和过氧化物酶(POD)作为杀青的有效性的标志性酶。酶失活的数学模型遵守一阶动力学模型，在这个模型中各参数来源于各参考文献。传热传质模型加上酶失活数学模型应用有限元方法来求解。为了效验预测结果的正确性三种不同厚度的苹果5，9，13mm在三种不同的红外能强度3000，4000，5000W／m~2下进行了杀青脱水试验。从试验结果和模拟结果的对照看两者有着很高的相关系数(r~2)，所以应用该数学模型模拟可以来预测在红外条件下不同杀青时间温度的分布，水分含量以及PPO和POD两种酶的失活情况。从模拟的结果还可以得出对有穿透性能的红外能加热条件下和无穿透性能的传统对流杀青脱水条件下也分别进行了模拟计算，从模拟的结果可以得出由于红外能的穿透效果使得在同一时间同一位置的温度的升高比没有穿透性能对流加热要快得多。从模拟结果还可以获得PPO和POD的失活效果和温度的关系，在物体中心温度到达80℃后PPO和POD的活性几乎为零，所以在红外杀青脱水过程中该温度建议用来作为杀青的终点。此外还建议较高的红外能强度和较薄的苹果片用来进行快速的失水较多的杀青而较低的红外能强度以及较厚的苹果片用来进行慢速的、脱水较少的杀青过程。在后续的工作中这种数学模型模拟的方法可以应用正确的各种物性、化学以及输运参数等来预测其他水果蔬菜的传热传质过程和酶的失活过程。 另外在本研究还进行了应用较大规模的红外能干燥装茕对不同装载率的苹果粒杀青进行脱水试验的研究。从该试验结果可以获得装载率对杀青效果的影响状况并通过计算可以获得该装置的能量利用率为43％，该能量利用效率远远高于传统对流杀青脱水的效率。

论文目录

• Abstract
• 摘要
• List of Figures
• List of Tables
• Nomenclature
• Chapter 1 Introduction
• Chapter 2 Objectives
• Chapter 3 Literature Review
• 3.1 Infrared Radiation
• 3.1.1 Background of Infrared Radiation
• 3.1.2 Major Equations of Infrared Radiation
• 3.1.3 Extinction of Radiation
• 3.2 Blanching and Drying of Vegetables and Fruits Using Infrared Heating
• 3.3 IR Technology
• 3.3.1 Electric IR and Gas IR Technology
• 3.3.2 IR Emitter Types and Characteristic
• 3.3.3 Emitter Spectral Characteristic
• 3.3.4 Energy Efficiency
• 3.3.5 Peak Radiant Intensity
• 3.3.6 Reflectors
• 3.4 Numerical Modeling Methods for Blanching and Drying Processes
• 3.4.1 Numerical Modeling Methods
• 3.4.2 Thermal and Physical Properties
• 3.4.3 Solving Methods of Numerical Models
• 3.5 Blanching, Dehydration and PPO and POD Inactivation
• Chapter 4 Materials and Methods
• 4.1 Apple
• 4.2 Infrared heating system
• 4.2.1 Catalytic Infrared Technology
• 4.2.2 Advantages of the Catalytic Infrared Drying Technology
• 4.2.3 Catalytic Infrared Emitter
• 4.2.4 Controls and Control Strategy for IR Heating
• 4.2.5 Intensity Distribution of the Emitter
• 4.3 Experimental Design
• 4.4 Measurement
• 4.4.1 Temperature Measurement
• 4.4.2 Moisture Content Measurement
• 4.4.3 Measurement of the Enzyme PPO and POD Activity
• 4.5 Equipment and Apparatus
• Chapter 5 Mathematical Models
• 5.1 Heat and Mass Transfer Models
• 5.1.1 Development of Heat and Mass Transfer Models
• 5.1.2 Thermal and Physical Properties
• 5.2 Enzyme Inactivation Model
• 5.2.1 Development of Enzyme Inactivation Model
• 5.2.2 Parameters of Enzyme Inactivation Model
• Chapter 6 Model Solutions
• 6.1 Finite Element Analysis
• 6.2 Steps of the Finite Element Method
• 6.3 Solving the Models with FEM
• 6.4 Solution of Enzyme Inactivation Model
• 6.5 Coefficient of Correlation and Error Analyses
• 6.6 Solving Equations with Matlab
• Chapter 7 Results and Discussions
• 7.1 Intensity Distribution of the Emitter
• 7.2 Validating Predicted Results with Experimental Data
• 7.2.1 Surface and Center Temperatures
• 7.2.2 Moisture Content
• 7.2.3 PPO and POD Activities
• 2'>7.3 Simulation results of 9mm slice under 4000W/m²
• 7.3.1 Distribution of temperature
• 7.3.2 Distribution of Moisture Content
• 7.3.3 Compare the Surface and Center Temperature under Infrared Condition and Convection Condition
• 7.3.4 PPO and POD Enzyme Inactivation with Temperature
• Chapter 8 Pilot Scale Infrared Blanching of Apple Cubes
• 8.1 Material and Methods
• 8.1.1 Apple
• 8.1.2 Experimental Test Methods
• 8.1.3 Equipment
• 8. 1.4 Measurement
• 8.2 Results and Discussion
• 8.2.1 Temperatures of Surface and Center
• 8.2.2 Moisture Content
• 8.2.3 PPO and POD Inactivation
• 8.2.4 Energy Efficiency
• Chapter 9 Conclusions
• References
• Acknowledgements
• 致谢
• 个人简历