基于多孔介质的微波干燥传热传质过程的分析

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果蔬是生活中必不可少的食品之一,其干燥过程是典型的热质迁移过程,且果蔬属于多孔介质的范畴。为了进一步分析多孔介质的热质迁移特性,本文选取微波干燥方式为代表,研究多孔介质的传热传质过程及多孔特性参数变化,对丰富多孔介质热质传递的理论有重要的参考意义。  本文对微波设备进行了在线测量改装,以苹果(大细胞果蔬)、土豆(淀粉类果蔬)、胡萝卜(细胞大小不均匀型果蔬)和香菇(组织疏松,孔束型果蔬)为研究对象,主要进行了以下四方面研究:第一,研究了以上果蔬在微波干燥过程中的物性参数与绝对含水率的关系和微结构的变化;第二,利用未破裂细胞为骨架,破碎细胞为孔道的原则,将采用显微镜(DM2500P)获得的苹果和胡萝卜的微结构图形处理为二值化图像,并以此获得了以上两种果蔬在微波干燥过程中的多孔特性参数的变化;第三,以可溶性固形物为溶质迁移指标,分析了物料厚度对溶质迁移过程的影响,并分析了微波干燥过程中的连续干燥时间,即60%(工作3s停7s)、80%(工作4s停6s)和100%(工作5s停5s),和物料厚度对温度及质量变化的影响;第四,文中采用核磁共振技术(NMI20-025V-1),获得了微波干燥过程中苹果和土豆的体积、水分状态、水分分布的变化规律,并模拟了物料表面及内部发电磁场分布。研究结果表明:  (1)苹果和胡萝卜的孔隙率、最大、最小和平均孔径随含水率的减小而增大,其中孔隙率曲线分别呈线形和抛物线形,且两者的分形维数是非整数,属于多孔介质的范畴;胡萝卜的孔隙分形维数和比表面积大于苹果,但是迂曲分形维数小于苹果。  (2)苹果和胡萝卜迂曲度随含水率的降低而降低,分别呈线性和指数关系;新鲜胡萝卜的迂曲度大于新鲜苹果的迂曲度,胡萝卜迂曲度变化率大于苹果。  (3)物料厚度对溶质迁移无明显影响(P>0.05),且胡萝卜溶质迁移率与8mm和16mm的苹果接近;溶质的迁移量却随失水率的变化较明显。  (4)功率80%和100%下的温度和质量变化趋势较接近,与60%功率下差异显著,且随着厚度的增加,差异性增大;样品厚度越大,质量分阶段变化越不明显;样品厚度及微波连续工作时间对温度变化有重要影响,干燥过程中并不一定是中心温度高于表面温度。  (5)实验得出了苹果及土豆的弛豫时间、各状态水分含量变化和干燥过程中各状态水分比例变化;干燥过程中,苹果和土豆的水分比例变化趋势、水分分布和干点位置不同,且含水率对苹果和土豆的体积变化有极显著影响(P<0.01)。样品内部成分是内部水分迁移的主要影响因素。
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