非牛顿流体讲诉课件.ppt

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1、Modelingofcontinuousthermalprocessingofanon-Newtonianliquidfoodunderdiffusivelaminarflowinatubularsystem非牛顿流体在管式扩散层流系统中的连续加热模型Introduction对流体食品的热加工常采用连续式设备，与间歇式设备相比，可以提高生产效率，降低能耗、提高感官以及营养品质。低粘度，如牛奶和果汁，常用板式热交换器高粘性或颗粒液体，如果泥、纸浆、调味汁、浓缩果汁，需要在管状系统中处理。在层流状态中，存在速度梯度，因而有明显的停留时间分布。通常的简化方法是考虑保温管中最大流速（

2、最小停留时间）下的热处理效果。因而，得到的产品虽然是安全的，但是过度加工造成感官以及营养品质的下降，消费者难以接受。如今，消费者更注重食品的感官以及营养品质。因而，食品行业也在对热加工条件以及设备进行重新审视。已有对热量传递、停留时间分布、流体流动和流变性质的研究,模型和仿真工具也已被用于来评价和优化食品连续热加工过程。该模型包括：传热方程传质方程杀菌效果评价速度分布Introduction考虑了之前常被忽略的因素：速度分布加热和冷却在杀菌中的贡献和环境空气的热交换产品温度的非均匀分布传质、传热过程中有效扩散参数本研究的目的不是为了建立流体力学模型（需要复杂的有限元去划分材料设

3、备），而是通过全局平衡，使模型的复杂度降低而容易使用，解决模型问题所需时间减少，保证其在优化过程中的可行性。IntroductionMathematicalModel无量纲的轴向区域（η=z/L）0-1（加热部分）1-2（保温部分）2-3（冷却部分）无量纲径向结构域（x=r/Ri）0（管中心）1（内管的内壁）MathematicalModel传质方程传热方程MathematicalModel传热方程MathematicalModel传热方程MathematicalModel速度分布MathematicalModel杀菌效果评价MathematicalModel除去已列方程，解决

4、模型问题，还需以下信息设备的尺寸食品的平均热物理特性加热/冷却介质内管外管保温层MathematicalModel成分A的破坏动力学参数是Tref，Dref，Za。加热介质（hm）、冷却介质（hm）、周围空气（ha）的对流系数可以通过经验公式得出。还需要食品产品（Wp，CA0，Tp0），加热介质（Wm，Tm0），冷却介质（Wm，Tm0），周围空气(Ta)。下面的两个方程分别是食品产品，加热/冷却介质的扩散速率。MathematicalModel模型中扩散散参数是Def，A（食品中组分A的有效径向扩散），Kef，p（食品的有效径向热传递），Kef，m是对于加热以及冷却流体（流体的

5、有效径向热传递）。方程37---食品中组分A的径向扩散Pelect常数方程38--食品径向热扩散Pelect常数方程39--加热和冷却介质的径向热扩散Pelect常数MathematicalModel对于理想状态：Def，A=0，Kef，p=kp，Kef，m=km，可以通过在设备中的停留时间的分布或是温度分布等试验数据，得到有效扩散参数。为了检验已建立的模型，我们进行了模拟案例以及假设的灵敏度测试。用有限差分数值方法进行轴向、径向分布变量的离散化。最佳离散点的确定，需考虑计算时间以及变量SA（Ƞ=3）对数值点的依赖性。这个变量在数值方法中有最大的灵敏度。软件gPROMS3.2(

6、ProcessSystemEnterprise)被用于本案例的模型以及模拟过程。模型假设的影响Results&DiscusssionResults&DiscusssionStudyCase刺果番荔枝果汁加工（糖度18°Brix，PH＜4，主要考虑霉菌、酵母）使用小型设备建立在数值测试的基础上，我们决定在每一部分选用400个轴向以及30个径向点来离散变量。计算机模拟时间为2.6min。温度以及浓分布度Results&Discusssion模型假设的影响Results&Discusssion质量、热量的扩散Results&DiscusssionConclusion我们建立了在管系统

7、中的非理想层流的非牛顿流体食物的连续热加工过程的数学模型模拟，并用刺果番茄汁进行检验，它是假塑性流体，加热主要是对酵母以及霉菌的破坏。我们得到的结果是一致的，我们进行了一系列的模拟去研究模型中假设的影响。我们观察到:（a）加热、冷却部分对于过程致死力有贡献；（b）保温管的进口温度需要升高以补偿和周围环境的热交换，从而导致致死力的上升；（c）热量以及质量的有效扩散系数被用来表征非理想层流，这对于温度分布以及过程的致死力有显著影响。Conclusion为了达到SA=5.74的杀菌效果，最大流速下