米饭导热系数测量方法的研究.pdf

第33卷第2期
食品科学技术学报
VOL 33 No. 2
2015年3月
Journal of Food Science and Technology
Mar.2015
doi:10.3969/j.1isn.2095-6002.2015.02.013
文章编号:2095-6002(2015)02-0067-03
引用格式;孟春玲,刘广伟,梁韬,等.米饭导热系数测量方法的研究[J].食品科学技术学报,2015,33(2):67-69
MENG Chunling, U Guangwei, LANG Ta, et al. Study on measuring method for conductivity coefficient of cooked rice
J]. Journal of Food Science and Technology, 2015, 33(2): 67-69
米饭导热系数测量方法的研究
孟春玲,刘广伟,梁韬,越赵秀华,李形
(北京工商大学材料与机械工程学院,北京100048)
摘要:目前常规的导热系数测定仪无法测量米饭等湿物质的导热系数,利用数值模仿真软件
FLUENT和自行设计搭建的试验平台,结合仿真分析和试验,提出了一种米饭导热系数的测量方
法,研究工作为自热食品的后缤研究提供基础和理论位据。
关键词:米饭;导热系数;测量方法;CFD
中图分类号:TS213;TS210.1
文就标志码:A
自热食品加热过程高度复杂,包括热传导、对流温处传递到低温处,这种现象被称为热传导。傅里
换热及相变换热,同时也存在着流固耦合传热问题。叶指出,在单位时间内通过单位面积的热量,正比于
为研究自热食品的传热过程,首先需要得到主食部分物体内的温度梯度,即
较为准确的热物性参数,如导热系数、比热容等。
dq
目前常规的导热系数测定仪主要用于测试塑
料、橡胶、玻璃等各种固体材料的导热系数,同时借式(1)中,Q表示热量(W):t表示时间(s);T表示
助夹具还可以测量颗粒料、散料、软料等各种不良导温度(K);x表示法向上的长度(m);S表示面积
体的导热系数2=?。因为自热食品中的主食部分是(m2);A是导热系数(v(m?K)-)。
由不同组份组成的湿物质,如米饭等,各组分具有不
故为传热速率,是与面积dS相垂直方向
同的理化性质,按不同比例配制的食品具有比较复
杂的热物性;同时由于自热食品中主食部分的含水
上的温度梯度,“-”号表示热量由高温区传向低温
量、放置时间的长短等都会显著影响其导热系数,因区,A是导热系数”。
导热系数是表征物体传热性质的物理量,本文
此现行办法很难准确测量自热食品中主食部分的导
以米饭为例探究湿物质导热系数的测量方法
热系数。
本文通过对自热食品传热机理的研究,利用数
试验材料
值模拟仿真软件 FLUENT和自行设计搭建的试验平
自加热米饭(煮熟含水的真空包装)。
1,2试验仪
台,结合仿真分析和试验,提出了一种能够测量米饭
TWC-2A型多路温度测试仪1合、电脑1台
导热系数的方法,研究工作为含水类物质导热系数
的测定提供了一种全新的、方便快捷的方法,为自热" WC Serial测温软件1套、热电個多支、导热系数测
量筒1件、加热带(25W/m)若千、CFD商业软件
食品的后续研究提供基础和理论依据。
FLUENT。
1材料与方法
导热系数测量筒是自己设计加工完成的,主要
由3部分组成,包括上端盖、下端盖、导热桶,其中上端
当物体内部有温度梯度存在时,就有热量从高盖与下端盖加工所用材料为导热性能较差的硅橡胶,
收稿日期:2015-0
作者简介;孟春玲,女,教授,硕士,主要从事机械设计及仿真研究
万方数据
食品科学技术学报
2015年3月
尺寸较厚,作为上端盖和下端盖的封闭作用外,还有隔型分别进行计算,绘制米饭中心温度曲线。
热的作用。在试验的过程中,导热筒需要有较好的导
热性能,所以采用导热性能较好的铝材,并且设计厚度2仿真建模
也较薄,壁厚只有1mm。装置示意图如图1。
导热系数测定装置的本质是热量在物体内部相
多路温度
邻部分之间的传递,加热带接通电源,释放热量,热量
测试仪
直接以热传导的方式传递到铝壳,热量再由铝壳传递
到铝壳中米饭各个部分,满足热传导现象导热方程:
a?a/、r,3/、T
at ax(")ay
式(2)中,p、c、、T、、A分别代表密度(kg/m)、比
电源
热容(J?(kg?K))、时间(s)、温度(K)、发热率
(W/m3)和导热系数(W-(m?K))。
.上端盖;2.加热带;3.导热桶;4.探针;5.下端盖
图1导热系数测定装置示意图
导热系数测定装置除了内部存在热传导现象
Fig 1 Thermal conductivity measuring system diagram
外,加热带外表面、顶盖外表面、底盖外表面与环境
1.3试验方法
之间存在对流换热现象。对流现象是借温度不同的
1)用自热米饭将导热系数测量筒填满,盖好上各部分流体发生扰动和混合而引起的热量转移。对
下端盖,用加热带将导热系数测量筒全包裹。
流传热的基本计算式是牛顿冷却公式,可表示为:
2)将热电偶一端连接到TWC-2A型多路温度
=hA△T,
3
测试仪上,另一端插人导热系数测量筒中米仮的中式(3)中,Φ为換热量(W),比例系数ん称为表面传
心位置;再连接一热电偶测量环境温度。
热系数(W?(m2?K))(又常称为对流换热系
3)调试TWC-2A型多路温度测试仪、TWC.
数);△T为温差(K),约定永远取正值;A为对流换
ral测温软件。
热面积(m2)。
4)打开TWC_ Serial测温软件,记录环境温度;
本文仿真建模必须完整地体现导热系数测定装
再将加热带接通电源,实时记录米饭中心温度,记录时置在工作状态下热传导和对流换热现象。
间为1200s,绘制米饭中心温度曲线,以时问为横坐标,
建立模型
米饭中心温度为纵坐标,试验数据曲线如图2。
设计的导热系数测定装置包括铝壳、米饭、顶
盖、底盖、加热带,加热带缠绕在铝壳外,为了加快铝
一一试验数据
壳外面加热带的热量传递到米饭,装载米饭的铝壳
一导热系数
一?热系数1.0
比较薄,厚度为1mm,为了尽量减小热量散失,顶盖
导热系数0.7
和底盖采用导热性能较弱的硅橡胶
50
运用 ANSYS CEM CFD对导热系数测定装置
划分网格,如图3,单元数7344,节点数8260。
2.2材料参数
为了得到米饭较为准确的导热系数,在仿真过
2004006008001000)1200
程中要求模型中其他材料的热物性参数准确。导热
时间A
系数测定装置的铝壳所用的铝材型号为2AI2,顶
图2导热系数曲线比对
盖、底盖所用的材料为硅橡胶,米饭的密度、比热容
Fig. 2 Comparison diagram of thermal conductivity curves
也已通过试验得到