【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及物料冷凍。更具體地說，本專利技術涉及一種物料冷凍過程的傳熱模擬方法、系統、裝置及介質。
技術介紹
1、含水量較高的物料，尤其是農產品，常溫保存極易發生腐爛變質，而冷凍干燥是物料（特別是農產品）延長貨架期和提高賦加值的有效方法之一。冷凍干燥過程包括三個階段，分別為冷凍階段、升華階段和解吸干燥階段。其中冷凍是指利用冷氣流或冷卻介質與物料接觸，通過熱傳導或熱對流方式將熱量從物料中移除，在冷凍過程中，物料被冷卻到冰點以下，物料中的水分逐漸轉變成冰晶并釋放潛熱，在該階段物料溫度暫時不再下降，待物料中水分完成凝固為冰晶時，物料的溫度開始下降，直至接近凍結溫度終點。根據相平衡圖，在常壓下，純水的凝固點為0℃。然而，農產品中含有多種溶質，可以降低溶液的凝固點，使農產品的凝固點低于0℃。冷凍作為冷凍干燥過程中的第一個關鍵步驟，對凍干產品的質地和凍干過程的能耗起著重要影響。
2、目前大多數企業依賴于生產操作人員的經驗來判斷凍結終點，這種方法主觀性強，難以保證一致性。在冷凍生產過程中，不同農產品甚至同種產品不同批次，其凍結特性和凍結終點都有很大差異。因此，單純通過經驗判斷容易受到操作人員經驗水平、產品來源等因素的影響，難以保證生產標準化。凍結過程加裝溫度檢測設備，監測產品內部溫度，以確定凍結終點，是目前檢測物料凍結終點的常用方法。由于溫度傳感器檢測點少，加上農產品的不均一性，導致溫度監測結果不具有普適性。此外，溫度傳感器檢測過程是侵入型，會破壞物料原有的外型結構，影響凍結產品的一致性。可見，農產品凍結終點的判斷缺乏科學、標準
3、仿真模擬可以依據實際生產的參數和物料屬性進行數學建模，精準的預測加工過程中的物理和化學變化并優化加工工藝。農產品，如果蔬，主要富含水分、可溶性固形物和粗纖維，將數學仿真運用到農產品的冷凍加工中，耦合農產品的屬性和凍結參數，有利于實際生產過程提前根據農產品品類物性差異和凍結條件提前預測凍結過程溫度、相變和凍結終點，避免過渡凍結或者凍結不充分，保證冷凍生產的標準化和品質一致性。目前，沒有人針對物料冷凍過程提出相應的傳熱模擬方法以預測凍結過程溫度、相變和凍結終點等，實現物料（尤其是農產品）冷凍干燥生產的標準化。
技術實現思路
1、本專利技術的一個目的是解決至少上述問題，并提供至少后面將說明的優點。
2、本專利技術還有一個目的是提供一種物料冷凍過程的傳熱模擬方法，其能夠精準地預測凍結過程溫度、相變和凍結終點等，實現物料（尤其是農產品）冷凍干燥生產的標準化。
3、為了實現根據本專利技術的這些目的和其它優點，提供了一種物料冷凍過程的傳熱模擬方法，包括：
4、步驟一、根據冷凍前物料的各物性參數，獲得物料冷凍前的液相體積分數vl、物料冷凍前多孔基質的體積分數vsl、物料冷凍前液相的有效物性參數和物料冷凍前多孔基質的有效物性參數，其中物料冷凍前液相的有效物性參數包括：液相有效密度ρl、液相有效比熱容cpl以及液相有效導熱系數γl，物料冷凍前多孔基質的有效物性參數包括：多孔基質有效密度ρsl、多孔基質有效比熱容cpsl以及多孔基質有效導熱系數γsl；
5、步驟二、根據冷凍后物料的各物性參數，獲得物料冷凍后的凍結相體積分數vf、物料冷凍后多孔基質的體積分數vsf、物料冷凍后凍結相的有效物性參數和物料冷凍后多孔基質的有效物性參數，其中物料冷凍后凍結相有效物性參數包括：凍結相有效密度ρf、凍結相有效比熱容cpf以及凍結相有效導熱系數γf，物料冷凍后多孔基質的有效物性參數包括多孔基質有效密度ρsf、多孔基質有效比熱容cpsf以及多孔基質有效導熱系數γsf；
6、步驟三、根據步驟一和步驟二中各參數構建物料冷凍過程的傳熱模型如下：
7、
8、其中，δhl→f表示液相轉變為凍結相的相變潛熱，j；
9、ρeff表示物料的有效密度，kg/m3；
10、cpeff表示物料的有效比熱容，j/kg/k；
11、γeff表示物料的有效導熱系數，w/m·k；
12、q1表示環境對物料輻射的熱量，j；
13、q2表示物料對擱板放出的熱量，j；
14、ti表示物料冷凍過程中任一時間點的溫度，k；
15、a表示液相和凍結相的熱擴散率比；
16、θl和θf分別表示液相和凍結相的飽和分數，%；
17、ε表示表面輻射因子，0.74；
18、σ表示史蒂夫-玻爾茲曼常數；
19、hp表示冷媒介質傳熱系數，62.3?w/(m2·?k)；
20、ta表示凍結室環境溫度，k；
21、tp表示凍結擱板溫度，k。
22、優選的是，步驟一中物料冷凍前的液相體積分數vl和物料冷凍前的多孔基質的體積分數vsl的獲得方法如下：
23、冷凍前：
24、液相體積分數vl，%，vl=（xw/ρw+xc/ρc）/(xw/ρw+xf/ρf+xc/ρc)；
25、多孔基質的體積分數vsl，%，vsl=xf/ρf/(xw/ρw+xf/ρf+xc/ρc)；
26、步驟二中物料冷凍前液相的有效物性參數的獲得方法如下：
27、液相有效密度ρl，kg/m3，ρl=?1/(xw/ρw+xc/ρc)；
28、液相有效比熱容cpl，j/kg/k，cpl=?cpw×xw+cpc×xc；
29、液相有效導熱系數γl，w/m·k，γl=?γw×?(xw/ρw/(xw/ρw+xc/ρc))?+γc×(xc/ρc/(xw/ρw+xc/ρc))；
30、步驟二中物料冷凍前多孔基質的有效物性參數獲得方法如下：
31、多孔基質有效密度ρsl，kg/m3，ρsl=?1/(xc/ρc)；
32、多孔基質有效比熱容cpsl，j/kg/k，cpsl=?cpf×xf；
33、多孔基質有效導熱系數γsl，w/m·k，γsl=γf×xf/ρf；
34、其中，xw表示物料中水分的質量分數，%；
35、xc表示物料中可溶性固形物的質量分數，%；
36、xf表示物料中粗纖維的質量分數，%；
37、ρw表示物料冷凍前的水分密度ρw，kg/m3；
38、ρc表示物料冷凍前的可溶性固形物密度，kg/m3；
39、ρf表示物料冷凍前的粗纖維密度，kg/m3；
40、cpw表示物料冷凍前的水分比熱容，j/kg/k；
41、cpc表示物料冷凍前的可溶物固形物比熱容，j/kg/k；
42、cpf表示物料冷凍前的粗纖維比熱容，j/kg/k；
【技術保護點】
1.物料冷凍過程的傳熱模擬方法，其特征在于，包括：
2.如權利要求1所述的物料冷凍過程的傳熱模擬方法，其特征在于，步驟一中物料冷凍前的液相體積分數VL和物料冷凍前的多孔基質的體積分數VSL的獲得方法如下：
3.如權利要求2所述的物料冷凍過程的傳熱模擬方法，其特征在于，物料冷凍前的各物性參數分別通過與溫度耦合得到，具體如下：
4.如權利要求3所述的物料冷凍過程的傳熱模擬方法，其特征在于，步驟二中料冷凍后的凍結相體積分數VF、物料冷凍后多孔基質的體積分數VSF的獲取方法如下：
5.如權利要求4所述的物料冷凍過程的傳熱模擬方法，其特征在于，物料冷凍后的各物性參數分別通過與溫度耦合得到，具體如下：
6.如權利要求5所述的物料冷凍過程的傳熱模擬方法，其特征在于，還包括將步驟三獲得的物料冷凍過程的傳熱模型與物料形狀進一步耦合的步驟，以構建不同形狀物料冷凍過程的傳熱模型，具體為：利用COMSOL?Multiphysics軟件獲取物料尺寸，構建物料的幾何模型并進行網格細化，將步驟五構建的物料冷凍過程的傳熱模型在物料的幾何模型約束的邊界條
7.基于權利要求6所述物料冷凍過程的傳熱模擬方法的傳熱模擬系統，其特征在于，包括：
8.物料冷凍過程的傳熱模擬裝置，其特征在于，包括：存儲器和處理器，所述存儲器用于存儲包括程序指令的信息，所述處理器用于控制程序指令的執行，所述程序指令被所述處理器加載并執行實現權利要求1~6任一項所述的物料冷凍過程的傳熱模擬方法。
9.一種計算機可讀存儲介質，所述計算機可讀存儲介質存儲有計算機程序，其特征在于，所述計算機程序被處理器執行時可執行實現權利要求1~6任一項所述的物料冷凍過程的傳熱模擬方法。
...【技術特征摘要】
1.物料冷凍過程的傳熱模擬方法，其特征在于，包括：
2.如權利要求1所述的物料冷凍過程的傳熱模擬方法，其特征在于，步驟一中物料冷凍前的液相體積分數vl和物料冷凍前的多孔基質的體積分數vsl的獲得方法如下：
3.如權利要求2所述的物料冷凍過程的傳熱模擬方法，其特征在于，物料冷凍前的各物性參數分別通過與溫度耦合得到，具體如下：
4.如權利要求3所述的物料冷凍過程的傳熱模擬方法，其特征在于，步驟二中料冷凍后的凍結相體積分數vf、物料冷凍后多孔基質的體積分數vsf的獲取方法如下：
5.如權利要求4所述的物料冷凍過程的傳熱模擬方法，其特征在于，物料冷凍后的各物性參數分別通過與溫度耦合得到，具體如下：
6.如權利要求5所述的物料冷凍過程的傳熱模擬方法，其特征在于，還包括將步驟三獲得的物料冷凍過程的傳熱模型與物料...
【專利技術屬性】
技術研發人員：畢金峰，謝意通，金鑫，
申請(專利權)人：中國農業科學院農產品加工研究所，
類型：發明
國別省市：
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