冷冻浓缩设备改进及冰晶生长的微观模拟

摘要

冷冻浓缩作为非热加工技术，可以最大限度的保留食品原有的生鲜风味和营养，其挥发性芳香成分损失和酶、色素等热敏性成分的变化极小，其独特的优势，将成为食品加工技术研究的热点之一，在理论和实践应用中都有着巨大的潜力。但由于冷冻浓缩产生的冰晶夹带率比较高且难以分离，未有合适的冷冻浓缩设备，从而限制了它的推广与使用。为解决冰晶夹带问题，国内外学者大多把目光停留在单位冰晶体积的层面上，主要凭经验或以实测资料为依据来控制冰晶的生长过程。本文利用相场法从微观上分析冰晶生长的机制，探索冰晶组织的形成规律和控制方法，较为系统地展开对冷冻浓缩技术的研究。具体研究工作和主要结论如下： （1）研制出实验室用冷冻浓缩设备。将结晶罐与生长罐合并，避免冰晶向结晶罐转移的过程中再次污染的危险。利用中心排冰法，有效地实现了大小冰晶的分离，降低了果汁的损失率。 （3）西瓜汁为实验材料，经过15个小时，浓度从9（brix）浓缩到46．6（brix），西瓜汁在浓缩过程中，前期果汁的损失率远远大于后期的损失率，其第1～7小时冰晶中的可溶性固形物占总损失率的67．7％，第8～10小时西瓜汁损失率的12％，第11～15小时冰晶中的可溶性固形物占总损失率的20．3％。在浓缩前期由于冷媒和浓缩液温差大，冰晶生成量多，后期温差减小，冰晶生成量少。 （4）推导出结晶罐总传热系数K=0．195kJ/（㎡·s℃），实验室准备建设一条中等规模的冷冻浓缩设备，K可作为设计结晶罐传热面积的依据。 （5）冰晶是典型的凝固组织，因其非平衡组织结构涉及到热量、质量和动量传输以及界面动力学和毛细作用效应相藕合的自由边界问题，故引入相场模型。用于模拟冷冻浓缩过程中冰晶生长的微观组织的演变过程。探讨了相场模型建立的基本原理、其数值求解的离散处理、稳定条件、初始条件和边界条件等问题。 （6）利用相场模型对纯水的冰晶生长过程进行数值模拟，模拟四个过冷时间、三个过冷度下的冰晶生长的演化过程。

目录

文摘

英文文摘

声明

1前言

1.1常见的浓缩方法以及冷冻浓缩的优势

1.2冷冻浓缩的理沦基础

1.3冷冻浓缩的应用

1.4冷冻浓缩的冻结方式

1.4.1渐进式结晶法

1.4.2悬浮式结晶法

1.5冷冻浓缩的结晶

1.6相场法简介

1.6.1相场法数值模拟的研究现状

1.6.2相场法的数值求解

2冷冻浓缩设备的改进

2.1改进前的冷冻浓缩设备

2.2改进后的冷冻浓缩设备

2.2.1合并结晶罐与冰晶体生长罐

2.2.2冰晶分离采用中心排冰法

2.2.3结晶罐内桶和刮刀电机

2.2.4加大冰晶的浮力

2.2.5止回阀的利用

2.3冷冻浓缩设备操作步骤

2.4材料与方法

2.4.1材料

2.4.2仪器和设备

2.4.3实验药品

2.4.4西瓜汁的工艺流程

2.4.5试验步骤

2.4.6实验结果

2.4.7传热系数K的计算

3相场模型的建立及数值求解

3.1相场模型

3.1.1序参量及其物理意义

3.1.2相场模型数值模拟的基本原理

3.2相场模型的数值求解

3.2.1相场模型的离散

3.2.2稳定性条件

3.2.3初始条件和边界条件

3.3一些重要数据的获得

3.3.1冰晶尖端半径及其生长速度

3.3.2溶质分配系数

3.3.3固相率

3.4相场模型在计算机上的数值模拟程序流程

4纯水冰晶生长的相场法模拟

4.1控制方程及相关参数的确定

4.1.1模型的无量纲化处理

4.1.2计算步骤

4.1.3方程相关参数的确定

4.2结果与讨论

4.2.1空间剖分步长对模拟结果可靠性的影响

4.2.2不同过冷度的冰晶生长模拟

4.2.3过冷时间对冰晶形貌和温度场的影响

4.3结果分析

5结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致谢