农作物秸秆微波热解特性试验

为了研究农作物秸秆在微波辐照下的热解特性,采用定制的微波加热装置,进行了整包秸秆的微波热解试验,并对秸秆微波热解的产物和能耗进行了考察。结果表明,微波加热过程中料包内部温度分布均匀,升温迅速。微波输入功率是影响加热过程的关键因素, 同时料包内部的传热传质对温度分布也有重要影响。微波加热会引发秸秆的热解反应,气体产物主要由氢气、一氧化碳、甲烷和二氧化碳等组成,通过氮吸附方法和扫描电镜分析,得到了固体产物的比表面积、孔容和孔径。微波热解电耗较大,应该合理选择微波功率和物料处理量,以提高经济性。该文结果可为农作物秸秆的资源化利用提供基础性资料。     

气流改善泡沫树莓果浆微波干燥均匀性提高能量利用率

为满足浆果低能耗、高品质的生产过程的需要,采用理论分析、数值模拟与台架试验相结合的方法,研究气流与微波协同作用对泡沫果浆干燥均匀性和微波能利用率的影响规律。结果表明:在气流与微波协同干燥中由于物料的介电特性指标及表观导热、气体渗流、气相导热、液相导热等系数变化,从而影响泡沫果浆料层中传热、传质过程。泡沫果浆传热及传质系数变化,影响泡沫果浆内部热传导及水分传递,温度及含水率直接影响泡沫果浆介电特性指标,进而影响物料微波能吸收。气流在料层边界热对流量及料层内的热传导量是表征气流、微波协同作用的主要指标,当料层边界热对流量与内部热传导量比值低于27.79时,气流与微波协同作用产生正向效应,提高微波能利用率;当料层边界热对流量与内部热传导量比值高于27.79时,此协同作用产生负向效应,降低微波能利用率;气流携带泡沫果浆中蒸发出的水蒸气,降低物料表层湿空气压力,导致泡沫果浆气泡的产生和破裂,强化传热传质过程,进而提高料层内温度及含水率分布均匀性。当气流速度小于1.5m/s时,气流速度与干燥均匀性呈显著正相关;当气流速度大于1.5m/s时,气流速度对物料干燥均匀性影响不显著;在气流速度为1.5m/s时,干燥时间短,微波能利用率最高,相比无通风时提高了17.57%,微波能吸收量、温度及含水率分布的均匀度分别提高了20%、19%及27%,符合低能耗、高品质的浆果干燥生产要求,研究结果为浆果微波泡沫干燥工艺优化提供依据。     

方便米饭微波复热过程温度分布的尺寸效应

为了更好的将微波加热技术应用于食品的复热过程,解决受热过程“冷点”的出现,该文运用微波工作站和光纤探针在线监测的方法,结合轴线分析与温度变化系数计算,综合考察了尺寸效应对冷藏方便米饭微波复热过程中温度分布的影响。结果表明：在相同半径下,随高度/直径比（L/D）的增加,米饭内部高温点由中心向周围转移;在L/D≤0.75时,半径增大导致高温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。基于标准偏差的温度变化系数（COV）分析温度均匀性,得出微波加热均匀性最好的圆柱型米饭为半径4?cm、高度4?cm。通过对微波复热米饭过程的温度场进行数值模拟,发现预测与试验结果具有较高的匹配度,决定系数R2在0.990～0.999。     

基于加热均匀性的射频干燥系统结构优化与试验

针对现有射频干燥系统存在装料量大时射频加热不均匀、干燥过程无法实时称重等问题,该文设计了一种热风对流加热装置、装料装置和称量装置。热风对流加热装置主要由热源供给系统、风温风速控制系统和气流分配室组成;装料装置由特制的多层料盘组成;称量装置由称量传感器、称量托盘和支柱等组成。采用计算流体力学软件对气流分配室进行模拟,结果显示改变气流分配室为喇叭口形状及增加分流圆柱体后,条形出风口处风速均匀性提高,其速度偏差比从31%降为10.5%,速度不均匀系数从19%降为7.6%。以玉米种子为例进行了优化后的性能验证试验,结果表明:热风对流加热装置可以提供均匀的温度和风速;自动称量装置能够实时监测物料的质量,其最大量程为24 kg,分层后的薄层物料最大处理量为18 kg,偏差范围为1~5 g;在热风和射频合适的匹配参数下,采用射频干燥结合热风对流技术,以及分层装料的方法,可解决射频干燥大装载量玉米种子产生的热偏移问题和边角效应问题,进而提高射频加热均匀性。该研究避免了干燥过程中外界温湿度的影响,减少了10%的干燥时间,为改善射频加热均匀性提供了参考。     

含水果颗粒液态食品物料通电加热温度场研究

利用自行设计研制的测试系统对含水果颗粒液态食品物料通电加热中颗粒中心与液态物料的温度及电导率变化进行测试,研究得出不同固液混合食品物料通电加热中温度和固液两相电导率的变化规律;固液两相的电导率及其加热中的变化不同是物料加热中非均匀温度场产生的主要原因,加热装置的管壁和入料口散热及电极板附近局部过热对物料在装置加热中的温度分布也一定影响。研究结果对进一步研究含颗粒食品电加热特性、研制实用的通电加热装置及开发高品质的含颗粒食品有参考价值。     

基于Mixture模型的叶片式抛送装置内气固两相流模拟

为了揭示叶片式抛送装置抛送物料时内部气流和物料复杂的流动特性以优化设计和指导运用,应用计算流体力学软件Fluent中的Mixture多相流模型、标准k-ε湍流模型与SIMPLEC算法,对抛送装置内气固两相流动进行了数值模拟,并将计算结果与抛送装置内物料运动的高速摄像试验结果进行了比较,物料速度的模拟值和高速摄像实测值基本吻合。在分析了物料运动规律基础上,对其叶片数、进料速度以及物料体积浓度的不同变化作了对比模拟。研究结果表明：数值模型可预测叶片式抛送装置的输送性能以及最佳喂入量;4叶片较3和5叶片更有利于抛送;进料速度对物料在叶轮区的体积分布规律影响较大,在最佳喂入量范围内,进料速度越大,出口处物料浓度越大,抛离速度也越大,装置输送性能越好;超过此范围时,随进料速度增大,进料口处物料浓度增大而出口处物料浓度减小,装置极易堵塞;进料口物料体积浓度的变化只影响抛送叶轮内以及圆形外壳出口区域的物料体积浓度,而对其物料速度分布规律及速度大小影响不大。该研究可为叶片式抛送装置工作参数优化提供参考。     

功率输入模式对浆果微波加热均匀性的影响

提高干燥均匀性是微波技术在食品、农产品热加工研究的重要问题。为分析微波功率输入模式对浆状食品物料的温度及水分均匀性影响,以浆果果浆为高水分、高黏度、富含热敏性成分代表性物料,引入温度离散值（VT）、水分离散值（VM）、热区分布值（HTD）、温度对比值（CON）指标表征加热均匀性,解析连续和间歇变功率输入模式对浆果微波加热均匀性影响的原因。结果表明：在微波输入功率为800 W的微波加热过程中,果浆中依次出现缓慢升温（I）、温度稳定（II）和快速升温（III）3个阶段,其中温度离散值与热区分布值在升温区增加、在温度稳定区降低;水分离散值持续上升,温度对比值增大至温度稳定区、在快速升温区减小;在浆果微波干燥后期,果浆料层内冷、热点间温度差引起不均匀性减弱。微波在浆果物料边角产生过热效应是引起加热不均匀性主要原因。间歇变功率微波加热工艺可以改善均匀性,随功率转换点的减小,果浆温度离散值、水分离散值、和热区分布值的均匀度改善率增大;微波功率比的减小可提高加热均匀度,但当微波功率比低于0.5时会导致加热效率低;间歇时间的增大可以进一步提高果浆均匀度改善率,但间歇时间超过8 min后对果浆均匀度的改善程度减缓;选用微波功率转换点为第Ⅱ、Ⅲ阶段交界、微波功率比0.5、间歇时间8 min更利于提高加热均匀性与加热效率。研究结果为浆果类物料微波加热均匀性的评价提供数学模型,优化得到的变功率输入参数为提高浆果果浆的微波干燥均匀性提供技术参考。     

微波技术在食品和农产品加工中应用研究进展

微波加热技术具有速度快、可控性高等特点,在食品和农产品的热加工过程中具有较强的应用潜力。该文在分析微波加热原理的基础上,从技术应用、设备研制和仿真研究等方面介绍微波加热应用现状,如在农产品干燥、杀菌、萃取和膨化等方面进行深入研究和应用。指出微波加热在机理解析、工艺局限性、加热不均匀性和能量利用低等问题,尤其是微波场对物料内极性成分作用机制的研究深度、微波加热时在物料内温度和水分分布的不均匀性规律定量表征等方面,严重影响产品质量稳定性和能量充分利用。从揭示微波在加热腔体内传递和物料内吸收的机理,提高微波加热均匀性和改善加工质量,以及研制智能化工业用微波加工设备等方面,指出微波加热技术在食品和农产品加工中应用热点研究方向。针对微波加热技术在农产品和食品加工中科学问题、技术需求和设备现状,为发挥技术优势、拓展应用领域,该文提出微波加热理论研究与技术应用的发展趋势,以期提高微波热加工技术工业化应用适用性、保证产品质量和能量利用率。     

土豆干燥过程中内部传热传质的实验研究

该文分别采用γ射线穿透法和切片法测量了平板状土豆内部的水分分布，为物料内部水分分布的实验验证提供了实验基础。通过不同形状，不同尺寸的土豆在不同温度下干燥的收缩实验发现，干燥过程中物料的收缩与水分呈线性关系。最后通过模拟结果与实际干燥曲线拟合的方法建立了土豆内部水分扩散系数的数学模型     

玉米秸秆粉末闪速加热挥发特性的研究

为了获得生物质在闪速加热条件下的热解挥发特性，引入一套层流炉系统进行实验研究。可变工况参数包括反应加热温度从800 K至950 K变化，热解停留时间从0.108～0.224 s变化。实验材料是粉碎的玉米秸秆，粒径0.117～0.173 mm，不作为变量考虑。利用等离子体加热技术，可以保证层流炉内部温度稳定保持在恒定设置数值。工作气体为氩气，流量1.5～2.5 m³/h。热解残炭由一个水冷收集器(冷激器)收集，并且利用旋风分离器与气流分离。利用灰分示踪法确定玉米秸秆粉末热解的挥发程度。引入Arrhenius形式的一级挥发反应模型分析实验数据，得到了相应的热化学动力学参数。结果表明，闪速加热热解与慢速热解存在明显不同，与加热速率无关。闪速加热挥发特性对于研究生物质液化机理有重要意义。     

秸秆捆烧技术及其排放特性研究进展

秸秆捆烧技术是实现农业秸秆能源化清洁利用的有效途径之一,但实际运行中仍然存在燃烧不充分、NO_X和颗粒物生成机理不清晰、烟气污染物排放较高等问题。该文综述了秸秆捆烧技术最新研究进展,简述了秸秆捆燃烧反应原理和秸秆捆燃烧特性,重点分析了秸秆捆烧过程中颗粒物、NO_X和CO等污染物产生及减排方法,系统总结了国内外秸秆捆烧技术类型、原理及特点等研究进展。通过全球文献检索,分析了秸秆捆烧技术研究热点、主要研究机构以及发展趋势,并评价了秸秆捆烧供暖运行成本。建议深入开展秸秆捆烧燃烧与污染物排放特性研究,开展秸秆捆烧锅炉结构及配风工艺优化,从源头减少烟气污染物生成,为实现秸秆清洁能源化利用提供参考。     

采后热风与热水处理杀虫的水果温度场有限元模拟

热风和热水加热具有高效、环保且易于控制的优点,是一种替代化学熏蒸控制采后水果虫害的有效物理方法。但由于缺乏对加热速率、加热时间与温度分布等问题的深入与系统研究,常导致杀虫效果较差或对水果品质造成一定负面影响。为了研究水果采后热处理过程的传热机理,建立了水果热处理时的非稳态传热模型,利用有限元分析软件COMSOL建模求解,并进行了试验验证。结果表明,模拟值与实测值之间的均方根误差均低于8%,从而验证了模拟的可靠性。达到相同的热处理效果,水果热水(55℃)加热时的热处理时间仅为热风(55℃)的30%,所以热水是一种更有效的加热介质。增加热风的流速可以提高加热速率,而热水循环速度对传热速率影响较小。水果内部的传热速率主要受水果大小、介质流动速度和水果形状的影响,热扩散系数对水果加热时间的影响较小。所建立的水果传热模型及相关试验结果可为水果采后热杀虫工艺参数的确定及优化提供参考。     

微波干燥过程中南极磷虾肉糜的传热传质及形变参数模型

该文以南极磷虾肉糜作为媒介,基于电磁学、多相传输和固体力学变形模型研究了微波干燥仿真模型。通过在软件COMSOL Multiphysics中求解电磁方程、能量和动量守恒以及变形方程得到模拟结果。红外热成像仪用于拍摄样品表面温度分布,光纤传感器用于测定样品点的瞬时温度。经过180 s的间歇微波干燥,空间温度分布、瞬态温度曲线(RMSE=2.11℃)、含水率(干基,RMSE=0.03)和体积比与试验值有良好的一致性,说明仿真微波干燥是可行的。此外,微波模拟干燥过程中将虾肉糜视为形变材料与刚性材料,在温度和含水率方面显示了较明显的差别且前者与试验值更为接近,且未考虑收缩模型的温度和含水率的RMSE分别为9.42℃与0.08。该研究还对液态水和气体的内在渗透性(±50%)以及吸水膨胀系数(±50%)进行了敏感性分析。含水率对液态水的内在渗透性较敏感(RMSE=0.089),对气体的内在渗透性较不敏感(RMSE=0.023),体积比对吸水膨胀系数非常敏感(RMSE=0.053)。     

基于有限元模型的欧姆加热预煮鸡蛋凝固过程解析

针对传统的鸡蛋预煮方法升温条件不可控,蛋清、蛋黄凝固状态难以控制等问题,该研究通过试验明确了蛋壳导电性能,在此基础上建立并验证了欧姆加热预煮鸡蛋过程的有限元模型,研究了欧姆加热预煮鸡蛋过程中鸡蛋内部的温度分布,分析了欧姆加热对鸡蛋凝固过程的影响,明确了电场强度和摆放方向对鸡蛋内部升温速率与温度分布的影响。结果表明：欧姆加热条件下,蛋壳可近似视为绝缘体;欧姆加热预煮鸡蛋是壳外溶液在欧姆效应下温度升高,通过热传导作用来实现的;建立了欧姆加热预煮鸡蛋的有限元模型并进行验证,温度模拟值与实测值之间的相对均方根误差均小于5%;鸡蛋长轴沿垂直电极板方向摆放,有利于改善鸡蛋内部加热均匀性;可以通过控制欧姆加热条件确定鸡蛋的凝固状态,达到控制鸡蛋蛋清、蛋黄凝固时间及状态的目的。研究结果可为开发基于欧姆加热的鸡蛋预煮装置提供参考。     

完整稻秆卷压过程应力松弛试验

为深入研究完整稻秆在卷捆压缩过程中的流变特性,该文利用自制的钢辊式圆捆机卷压试验台进行了完整稻秆卷压过程应力松弛试验研究。选择稻秆含水率、草捆干物质质量、卷捆钢辊转速、稻秆喂入速度为试验因素,并以应力松弛时间和平衡弹性模量作为应力松弛特性评价指标,进行4因素5水平正交旋转组合试验。结果表明:完整稻秆卷压过程应力松弛模型可用1个Maxwell单元和1个弹簧并联组成的三元件方程表示;各因素对应力松弛时间贡献率排序依次为稻秆含水率、草捆干物质质量、稻秆喂入速度、卷捆钢辊转速;对平衡弹性模量贡献率排序依次为草捆干物质质量、稻秆含水率、稻秆喂入速度、卷捆钢辊转速;当稻秆含水率为65%、草捆干物质质量为17 kg、卷捆钢辊转速为257 r/min、稻秆喂入速度为1.6 kg/s时,应力松弛时间和平衡弹性模量可分别达最佳值17.08 s和4.01 k Pa。试验结果可为圆型打捆机对完整稻秆的卷压工艺优化及其压缩机理分析提供必要的理论与技术支持。     

片状食品微波干燥热质传递模型及其干燥特性

为了探索片状食品微波干燥规律，以土豆片为试验模型，对片状食品进行了微波干燥试验和数值模拟研究，获得了土豆片温度变化规律和相应的干燥特征曲线；探讨了微波能水平和切片厚度对干燥过程的影响；根据热平衡和扩散方程建立相应的模型并采用有限差分法求解，试验值与模型计算值基本吻合。土豆片微波干燥经历预热、恒温、快速升温3个阶段：在预热阶段物料干燥脱水少；在恒温阶段物料干燥失去大部分水分；在快速升温阶段物料干燥速率减小，其温度快速上升。恒温阶段物料温度随切片厚度和微波能水平增加而增高；干燥速率不受物料切片厚度变化影响，但随微波能水平增加而增大。     

Br离子液体中微波辐射加热促进稻草秸秆酸水解制备还原糖

为了探讨微波辐射及离子液体对酸催化植物纤维素水解的促进作用, 以稻草秸秆为原料,在[Bmim]Br离子液体介质中,用微波辐射加热促进纤维素的酸水解,并对水解产物中的还原糖进行了测定。着重考察了微波辐射功率、微波辐射时间、硫酸浓度、反应温度等因素对还原糖收率的影响。结果表明,在[Bmim]Br离子液体介质中,用微波辐射加热促进稻草酸水解制备还原糖的最佳条件是：30.0 mL质量分数为10.0%的硫酸、[Bmim]Br10.0 mL、微波辐射温度85℃、微波辐射时间45 min、微波辐射功率500 W,在此条件下还原糖的收率达到了22.94%,而常规酸水解得到的还原糖收率为14.50%。显然,在[Bmim]Br离子液体介质中,微波辐射加热促进稻草酸水解所得还原糖收率大于常规酸水解的所得还原糖收率。由此可知,离子液体介质中,微波辐射加热能够促进植物纤维素的酸水解,并显著缩短糖化时间,使得还原糖的收率提高。