干冰喷射速冻草莓的理论模拟与实验研究

作     者：赵延峰 

作者单位：天津商业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宁静红

授予年度：2022年

学科分类：0832[工学-食品科学与工程（可授工学、农学学位）] 08[工学] 083203[工学-农产品加工及贮藏工程] 

主      题：干冰 喷射 速冻 草莓 模拟 

摘      要：为了适应速冻食品行业的发展需要,实现速冻设备的优化,必须重视速冻机械的研发。自然工质干冰相比其他工质有很高的相变潜热,可以对食品进行超快速冻结,能最大限度地保持食品原有的状态和营养成分,提高速冻食品的品质,在速冻食品中具有很大的优势。因此开展干冰喷射速冻草莓的分析研究,对优化干冰喷射草莓速冻装置的设计和推广应用有一定的指导意义。项目建立了干冰喷射速冻草莓的模型,对草莓速冻间空间内干冰速冻过程的热流场进行模拟仿真。设计了35种不同条件下的速冻间模型,使用COMSOL模拟软件模拟不同进出口大小和干冰喷入速度对速冻草莓的影响。通过对草莓表面温度的模拟、速冻间内干冰流线的模拟、速冻间内干冰固相分数的模拟、草莓内部传热的模拟、干冰喷射速冻的模拟,以速冻时间和温度作为考量指标,分析每一组草莓速冻的时间及温度均匀性,选出性能最好的模拟组进行不同进出口位置的讨论。通过以上模拟方法选择性能最好的模拟组,为进一步实验打下基础。在确定最佳干冰喷射速度、喷射入口直径、进出口位置的基础上,进行了相关验证性的实验,并对速冻后草莓理化性质进行测量。搭建了二氧化碳和液氮联合喷射速冻草莓的实验系统,研究了不同入口速度的低温氮气和相同速度的低温二氧化碳混合过程中管道压力和温度的变化,并进行了不同速度比与不同进出口位置对速冻草莓的研究。为进一步设计开发高效的干冰喷射速冻草莓装置提供依据。结论如下:（1）在模拟结果中,模型（c）（进口位置交替,出口位置在下方,干冰入口流速为0.30 m/s,入口半径为25 mm）速冻完成时间较短,温度较均匀。（2）草莓速冻间模型实验结果与数值模拟误差分别为3.03%和5.08%。利用实验得出的草莓温度对草莓分层模型进行误差分析,结果MD=4.9%,RMSE=8.6%,说明模型具有较好的普适性和精度。（3）对速冻前后的草莓水份损失率,组织中维生素C的含量,草莓表皮的色泽度,可溶性固体的含量,花青素含量等理化指标进行测定。得到干冰喷射速冻草莓相关参数均优于速冻草莓的相关标准。（4）在联合喷射实验中,随着低温氮气流速的增加,管道中压力损失变大,出口处温度降低。当速度比为0.2:0.3时,草莓内外温度均匀、冻品品质高。改变不同进出口位置,速冻间（c）（进口位置交替,出口位置在右下方）草莓温度更加均匀。