青豆的红外喷动床干燥特性及数值模拟

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干燥是食品加工业中的关键节点之一。把食品中的水分降低到安全水分,能够有效地延长产品货架期并保持其产品品质不降低是干燥的目的,能效和干燥产品的质量是要考虑的两个关键指标。喷动干燥技术具有传递效率高、提高产品干燥均匀性(干燥过程中气流使物料与加热介质之间快速搅动,两者之间接触面积增加)、结构简单、适用于热敏物料干燥等优点。食品加工中已经被广泛采用的红外干燥技术,食品物料脱水用时较短、脱水后的产品质量高、能耗低,但均匀性不足。将红外加热的高效节能与喷动干燥的传热均匀相结合,优势互补开发新型红外辅助热风喷动干燥设备,求索出能利用偏低能耗得到高质量脱水产品的切实可行的路子。红外喷动床联合干燥过程的研究十分复杂,用传统的理论分析和试验方法对物料干燥的质热耦合传递理论及流动进行深入研究探索是一个难题。而计算流体力学成为解决这一难题的首选的非常有效的手段之一。因此,结合计算流体力学探索红外喷动床联合干燥技术很有必要。论文采用基于红外喷动床联合干燥技术和计算流体力学的原理,对青豆干燥过程进行数值模拟,主要研究内容如下:1.理论研究:本文在红外喷动床干燥的基本原理以及青豆各参数的基础上,根据干燥过程中红外喷动床干燥室内流体流动和湿物料在热风和热辐射共同作用下的变化情况,基于三个守恒方程(质量、动量及能量),运用计算流体力学原理和ANSYS Fluent理论,构建红外喷动床干燥室流体域的控制方程(非稳态三维流场、热辐射),从而为研究红外喷动床干燥过程中物料质热传递及干燥室内物理场变化奠定理论基础。2.数值模拟:用Solidworks软件对红外喷动床干燥室流体域进行三维建模,网格划分在ANSYS-ICEM-CFD中进行,模拟的物料介质被认为均匀且同向,通过ANSYS 2019 R1中的Fluent调用软件中的多相流模型,用有限体积法迭代求解红外喷动床喷咀进口气流速度(设为7 m/s、8 m/s、9 m/s)以及入口空气温度(分别为40℃、45℃、50℃、55℃、60℃)时喷动物料颗粒运动及流体域内气/固相温度随时间的变化,分析筛选较优参数。依据所得数据探索随着试验物料干燥时间的变化,干燥室流体域的颗粒浓度分布、气固相的速度及温度变化规律。3.试验验证:利用红外喷动床干燥室流体域流场模拟获得的参数,分析组合达到最优用于进一步的试验验证。论文选取青豆为研究对象,试验参数设置为最佳参数组合状态,即:喷咀进气口风速8 m/s、进气口温度50℃,辐射板功率500 w。在该试验条件下进行平行试验3次,试验结果取平均值,绘制出红外喷动床出口空气温度随时间变化的曲线图。红外热风喷动干燥设备出口空气温度变化验证实验和模拟获得的数据所绘制的曲线图显示其结果基本吻合,所建模型适用于所设计制造的红外喷动床干燥设备。
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