果蔬干燥过程的水分跨膜传输模型构建

为了较真实地描述干燥过程中果蔬组织内水分的传输情况,该文回顾了多孔介质干燥过程及相关研究模型。针对果蔬组织生理学结构及其特征,提出了干燥过程中水分在其内部的传输模型,并通过显微图像技术及热风干燥试验对模型中相关参数进行了试验测定。建立的水分跨细胞膜传递模型有效计算了水分在果蔬组织内部的跨细胞壁传输过程。研究结果表明:果蔬组织中约90%的水分存在于细胞内;干燥过程中水分迁移的过程为:首先细胞内液泡中的水分跨细胞膜流出至细胞间隙,该过程可通过水分跨膜传输通量(JV)来计算;然后,进入细胞间隙的水分可视为一般多孔介质内的孔道水分扩散过程用传统的孔道网络模型进行计算。     

苹果切片干燥收缩变形的孔道网络模拟及试验

为揭示果蔬干燥收缩变形的传热传质与应力应变的机理,确定果蔬微孔结构特性及内部毛细力等因素对其干燥过程的影响,该研究运用孔道网络方法、热质传递原理和细观力学理论等交叉学科知识,构建了孔隙尺度下果蔬切片干燥收缩变形的孔道网络模型,采用VC++开发孔道网络求解程序,模拟分析了果蔬切片的湿分场、温度场以及应力应变场等情况,并以苹果切片作为果蔬典型代表进行了热风干燥试验及模型验证。结果表明：湿含量、温度和收缩变形率的模拟值与试验值的相对误差小于10%,模型可有效模拟果蔬干燥热质传递与应力应变的收缩变形真实过程,再现了干燥过程中的\     

基于格子Boltzmann方法分析果蔬真空冷冻干燥冻干速率

为实现果蔬真空冷冻干燥水分在线检测,研究果蔬冻干过程水分扩散运移规律及过程参数优化,该文基于格子Boltzmann方法以果蔬冻干过程孔隙度变化表达其冻干速率。由于果蔬在冻干过程中孔隙度会随着冰晶的升华而发生相应变化,水分扩散路径及孔隙度由外向内逐渐变化,运用格子Boltzmann方法和动力学能量守恒定律,模拟分析了果蔬冻干水分扩散速率变化分布情况,建立了孔隙度线性变化的多孔介质模型,结果表明多孔介质类果蔬孔隙度变化越大冻干速率就越大。试验验证以苹果为试材,在冻干1、3、5、7 h测取苹果样品含水率和对应的水分运移边界位置,并在苹果冻干样本水分运移边界处进行电镜微观拍片与孔隙度图像信息采集处理,获得相应的孔隙度试验值,通过对水分扩散边界位置与孔隙度相关性分析可知,苹果冻干过程孔隙度由内向外呈线性增加。进而导出含水率与孔隙度、孔隙度变化与干燥速率的相关关系,得知孔隙度的变化与冻干速率呈正比,试验验证与模拟结论相一致。表明多孔介质的孔隙度可作为物料内部流体传输的表征参数,可应用孔隙度的变化来表达冻干速率。该研究为冻干过程参数优化与机理分析提供了参考,在冻干水分在线监测等方面提供了应用基础。     

茄子片热风干燥收缩特性及其修正的湿分扩散动力学模型

为了研究收缩特性对切片果蔬对流干燥过程水分有效扩散系数的影响,以切片茄子作为研究对象,结合密度分析、扫描电镜分析、压汞测试等方法,分析了热风干燥过程切片茄子内孔容积、孔隙结构及体积的收缩变化规律,建立了考虑其收缩特性的水分扩散动力学模型,并分析了干燥收缩行为对切片茄子干燥动力学的影响。研究结果表明,热风干燥过程切片茄子内孔容积随水分比的减小近似呈线性降低趋势,不同热风干燥温度对其降低趋势影响不大;干燥初期切片茄子孔隙以105nm以上的大孔为主,干燥过程孔隙收缩导致105nm以上的大孔孔隙逐渐消失,105nm以下的中小孔隙比例逐渐增加,峰值孔径也从约1.5×105nm减小至4×104nm;Hatamipour及Quadratic收缩方程均能较好地描述切片茄子热风干燥过程中的体积收缩特性;考虑切片茄子体积收缩对干燥传质过程的影响,采用Quadratic收缩方程对基于Fick第二定律的扩散模型修正后,切片茄子干燥过程水分有效扩散系数明显降低,表观活化能由20.69 k J/mol增大至25.76 k J/mol,表明干燥过程中的收缩导致水分扩散内部阻力增大。因此,水分有效扩散系数在不考虑干燥收缩对动力学影响时将被明显高估。该研究结果能为更客观地评价可变形多孔物料的干燥特性、优化其干燥工艺提供参考。     

水果在热风干燥中的水分扩散分形模型

为了探讨水果在热风干燥过程中微观结构变化对水分扩散规律和干燥速率快慢的影响,该文用迂曲分形维数描述了香蕉内部孔道分布的联通性,用面积分形维数描述了内部孔道的不均匀性。研究表明,在有效扩散系数-香蕉厚度平方线形变化关系图中,轴向扩散系数大小为直线在Y轴上截距,径向扩散系数大小为直线斜率,并且轴向扩散系数远大于径向扩散系数,水分扩散系数在干燥样本中径向与轴向的巨大差异表明了香蕉在结构上具有异质性。随着面积分形维数的增大,导致干燥时间减小和有效扩散系数增大。由孔隙率与孔径比的变化而导致干燥时间和有效扩散系数的变化与面积分形变化引起的规律相近。随着迂曲分形维数的增大,使得干燥时间增加和有效扩散系数减小。扩散系数随体积变化率成对数增加。该研究可为脱水果蔬干燥技术研究提供参考。     

胡萝卜超声波预干燥热湿耦合迁移过程的数值模拟

为了探讨超声波对含湿多孔物料内部水分迁移过程的影响,对超声波作用下胡萝卜片预干燥过程进行了试验观测,建立了食品含湿多孔介质超声波预干燥过程热湿耦合传递的数学模型, 推导了超声波作用下含湿多孔介质中水分的有效扩散系数,对胡萝卜超声波预干燥的热湿耦合迁移过程进行了数值模拟,分析讨论了超声声强对样品干燥速率及温度的影响。研究结果表明, 超声波能有效加速胡萝卜的预干燥过程,且样品内水分扩散系数及干燥速率均随超声强度的增加而逐渐增大。当超声强度为 1.5 W/cm2 时,样品干燥速率与无超声波作用时相比提高了约 3     

紫花苜蓿茎秆在常压热风干燥中的传质模拟研究

根据斐克定律和质量守恒原理,建立了可以预测干燥过程中苜蓿茎秆内部水分分布的常压热风干燥的传质数学模型。通过对扩散模型边界条件的处理,结合紫花苜蓿茎秆内部水分扩散的干燥试验结果,采用数值模拟方法确定了干燥苜蓿茎秆的传质系数。结果表明,干燥苜蓿样本的含水率与模拟分析含水率的决定系数为R²=0.927,模拟分析具有较高的准确度。在此基础上进行的苜蓿茎秆内部水分分布的模拟计算保证了与苜蓿非稳态干燥过程的一致性。     

土豆干燥过程中内部传热传质的数值模拟

建立了可以预测干燥过程中土豆内部水分分布和温度分布的传热传质模型，模型考虑了干燥过程中的土豆收缩和水分扩散系数的变化。该文推导的内部传热传质模型计算所得的内部水分分布和温度分布与实验结果相近。研究还发现在模型中是否考虑收缩对所得的水分分布和温度分布有较大的影响。     

生物材料冻干过程分形多孔介质传热传质模拟

为了研究生物材料冻干过程中的超常传热传质机理,建立了考虑已干层分形特点的冻干模型,水蒸气和惰性气体在已干层中的连续方程采用了分形多孔介质中的扩散方程,扩散系数随已干层厚度的增加呈指数下降。该理论模型可确定已干层的分形特点对生物材料冻干过程升华界面的移动和干燥时间的影响,预测生物材料冻干过程中物料内部温度和结合水浓度的分布。以螺旋藻为对象,利用分形模型借助Matlab和Fluent软件模拟了螺旋藻的冻干过程,模拟结果与试验结果吻合较好。     

红外联合热风干燥白萝卜片的耦合建模与热质传递分析

为寻求红外联合热风干燥过程中物料内部热量传递的物理解释,克服水分输运现象不能直观获取的问题,该研究建立白萝卜片红外联合热风干燥过程中水分和温度分布的数值模型。考虑到干燥过程中物料扩散系数动态变化,对实现精准模拟产生干扰,该研究对比考虑温度、收缩相关扩散系数两种方式下单独热风干燥及红外联合热风干燥过程中的热质传递情况并进行试验验证。考虑到二维轴对称几何结构,采用COMSOL Multiphysics 5.2a对该系统的传热传质模型进行求解。结果表明：基于收缩相关有效扩散系数能够准确描述白萝卜片在单独热风及联合干燥过程中的热质传递情况, 单独热风和红外联合热风干燥模拟值与试验值的决定系数（R2）分别为0.893和0.911。红外辐射是影响传热传质速率的主导因素。具体表现为恒定干燥温度60 ℃条件下,红外联合热风干燥比单独热风干燥物料至安全含水率（10%）有效缩短21.4%时间（90 min）,红外联合热风干燥样品比单独热风干燥物料达到设定温度值（60 ℃）缩短36.0%时间。进一步研究表明有效水分扩散系数随红外辐射温度的升高而升高,传热、传质系数对物料升温及水分脱除影响显著。该模型为其他物料在联合干燥技术的模拟研究提供有益借鉴。     

马铃薯薄壁细胞组织一维等温干燥模型

为真实描述植物薄壁细胞物料干燥过程的水分传输机理,该文基于组织生理结构、微观参数测量技术和细胞结构变化,提出了适用于整个低温对流干燥过程的薄壁细胞组织模型。模型假设组织由细胞聚集而成,细胞由细胞壁、细胞膜和细胞腔模型溶液组成。细胞壁中的水分为纯水,干燥过程中细胞壁仅变形,不收缩;细胞膜为理想半透膜,集总了真实细胞内所有的跨膜渗透效应;模型溶液中的水分扩散则代表了真实细胞内部所有的扩散效应;干燥过程中,细胞膜始终紧贴细胞壁,细胞失去膨压后,塌陷收缩。基于组合参数传输模型建模方法构建了考虑细胞和收缩的一维传质模型。模型中细胞尺度的水分传输为局部水势平衡假设下的细胞腔到细胞腔、细胞壁网络和细胞气相间隙传输,宏观传递系数直接由细胞传输特性推演获得。模拟和试验表明:平均干基含水率不低于1.0 kg/kg时,模型可准确预测马铃薯组织的干燥过程,相对误差不超过20%。模型分析揭示:马铃薯组织干燥过程水分传输途径的优先级为细胞腔到细胞腔细胞壁网络细胞间隙。     

球形果蔬差压预冷过程中质量损失分析

果蔬预冷过程中的质量损失是一个在传热影响下发生的传质过程,分析不同的影响因素对于减少预冷过程的质量损失具有重要意义。结合球形果蔬的集总参数传热方程,通过分析果蔬预冷时水分损失过程,推导了果蔬水分损失的热质耦合方程,包括了果蔬物性和预冷环境参数。在这基础上,分别分析了果蔬内部水分扩散率、预冷空气风速、预冷空气相对湿度对水分损失的影响。结果表明果蔬结构是决定因素,风速的影响对预冷时间明显,水分损失则受果蔬结构影响更大,并且随风速增大而减小。并通过苹果的差压预冷试验进行了验证,试验结果与理论分析结果具有相同的结果。     

仓内稻谷干燥的多尺度多层结构热质传递模拟及试验

为研究仓内稻谷干燥的热质传递机理,确定稻谷颗粒内部不同组织结构特性对干燥过程的影响,以仓内稻谷堆为研究对象,针对谷粒的多层结构问题,运用多尺度理论、热质传递原理和孔道网络方法等知识,建立了仓内稻谷热风干燥的多尺度多层结构热质传递模型,并进行了稻谷堆热风干燥试验,模拟分析了仓内稻谷的干基含水率、温度分布以及孔隙汽相的温度分布等情况。结果表明:建立的热质传递模型可有效模拟仓内稻谷干燥过程,干燥器尺度下仓内稻谷的平均干基含水率的模拟值与试验值的最大相对误差为7.6%,颗粒尺度下单颗粒稻谷干基含水率的模拟值与试验值的最大相对误差约为6.8%;稻谷颗粒内部传热比传质速率快,颗粒内存在较大的水分梯度。稻谷胚扩散系数对干燥的影响较大,其次是稻谷壳扩散系数,稻谷衣扩散系数影响最小。研究结果为稻谷就仓干燥的品质及工艺分析提供了理论基础。     

多孔介质干燥过程传热传质研究

该文根据非平衡态热力学和相平衡理论，建立了多孔介质对流干燥内部传热传质过程的二维数学模型，该模型充分考虑了传热与传质之间的相互耦合，用控制容积积分法采用全隐格式对该模型进行分析求解，并与玉米干燥实验数据进行对比。结果表明，表面对流换热系数、干燥介质温度和湿度的变化对热、湿迁移过程均有较大影响，而表面对流传质系数对湿迁移过程影响不大，温度和湿度梯度的耦合产生“局部增湿”现象。     

恒温下相对湿度对果蔬热风干燥特性和品质的影响及调控

相对湿度作为干燥介质的重要参数,对干燥热质传质过程和干燥品质具有显著影响。但由于相对湿度对干燥过程的影响机理及优化调控机制尚不明确,导致相对湿度的调控方式多依靠经验,造成干燥效率低、品质差、能耗高等问题。对于传质过程,降低相对湿度能够增大对流传质系数,加快物料表面水分蒸发;而对于传热过程,升高相对湿度能够增大对流传热系数,加快物料升温速率。相对湿度较高时,物料升温速率快,内部水分迁移量增大,但表面水分蒸发量较小;而当相对湿度较低时,物料升温速率较慢,内部水分迁移量较小,但表面水分蒸发量较大。相对传热和传质过程的影响此消彼长,互相耦合。高相对湿度主要体现为对传热过程的影响,低相对湿度主要体现为对传质过程的影响。高相对湿度能够抑制物料表面的结壳,并能够提高复水性,降低收缩率。阶段降湿及多阶段降湿干燥方式下物料表面形成和保持了蜂窝状多孔结构,能够提高干燥效率和品质。基于监测物料温度的相对湿度调控方式被验证为较忧的相对湿度控制方式。阶段降湿干燥方式适用性的实质为：干燥过程中所体现出的对流传热热阻和内部导热热阻的相对大小,及对流传质阻力和内部传质阻力的相对大小,不同干燥条件和物料种类、厚度会影响以上传热传质阻力的大小,从而呈现出不同适应性的结果。当阶段降湿干燥过程中传热毕渥数>1且传热毕渥数>0.1时,说明阶段降湿干燥过程适用于此物料的干燥。该文综合论述了相对湿度对果蔬热风干燥过程中热质传递及干燥品质的影响,优化调控策略及适用性范围4个方面内容,明确了果蔬热风干燥过程中相对湿度的影响机理,为相对湿度的优化调控提供理论依据和技术支持。     

基于介质湿度控制的苹果片红外漂烫传热模拟与试验

为了揭示空气介质对苹果片红外漂烫的传热作用机制以及对膨化干制的影响,该研究将介质湿度控制技术用于苹果片红外漂烫预处理中,利用数值模拟方法并结合苹果漂烫干燥试验,解析不同介质湿度下苹果片红外漂烫的传热传质规律,探究基于介质湿度控制的红外漂烫预处理对干燥效率和膨化干燥后产品色泽的影响。研究结果表明,基于红外辐射与对流传热原理的数学模型,并考虑物料水分蒸发与蒸汽冷凝能够较好描述红外漂烫的传热传质过程。物料含水率与温度模拟结果的相对误差为0.54%和0.39%。在恒定120℃红外加热温度下,介质相对湿度对苹果片红外漂烫的热质传递、漂烫后干燥效率与产品色泽均具有明显的影响。在低湿的状态下（1%相对湿度）进行红外漂烫,物料表面水分快速向空气介质中蒸发扩散,伴随的水分蒸发耗热量占物料吸热总量的40%,致使物料升温缓慢。将介质湿度提高至50%相对湿度能够抑制苹果片表面的水分蒸发,同时介质中水蒸气冷凝放热能够大幅提高漂烫初期的物料升温速度,漂烫120 s后物料中心温度迅速提高至86.8℃。因此,提高红外漂烫的介质湿度能显著提高漂烫后苹果片干燥速率与产品色泽。与1%相对湿度相比,在120℃、50%相对湿度下红外漂烫后苹果片的预干燥时间缩短了8.3%,苹果片干燥的色差值与褐变指数分别降低了55.6%和37.4%,护色效果优于热水漂烫。研究结果为苹果片等果蔬高质高效干燥的红外漂烫预处理工艺开发提供了新思路。