ISSN 1991-3087

Свидетельство о регистрации СМИ: ПИ № ФС77-24978 от 05.07.2006 г.

ISSN 1991-3087

Подписной индекс №42457

Периодичность - 1 раз в месяц.

Вид обложки

Адрес редакции: 305008, г.Курск, Бурцевский проезд, д.7.

Тел.: 8-910-740-44-28

E-mail: jurnal@jurnal.org

Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100
Яндекс.Метрика

Моделирование процессов нагрева продуктов питания при воздействии направленного ИК излучения

 

Баранов Валентин Владимирович,

доктор технических наук, профессор, научный руководитель,

Шлыкевич Алексей Александрович,

аспирант кафедры проектирования информационно-компьютерных систем.

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники.

 

Термическая обработка продуктов питания посредством инфракрасного (ИК) излучения является перспективным способом приготовления различных блюд. Качественные характеристики и количественные параметры процесса приготовления продуктов питания в значительной мере зависят от распределения температуры в рабочем объёме, а также по поверхности и объёму закладываемого в рабочий объём продукта.

Экспериментальные исследования в этой области требуют специального оборудования (пирометров, термовизионного оборудования и др.). В этой связи оптимальным методом изучения быстрого нагрева и приготовления продуктов питания в рабочем объёме является компьютерное моделирование, которое в условиях адекватности разработанной модели позволяет вести необходимые исследования при минимуме необходимых экспериментов.

 

1. Баланс энергии при нагреве продуктов питания ИК излучением

 

В общем случае излучение, падающее на объект нагрева с определёнными свойствами (толщина, плотность, остаточная влажность и др.), частично отражается от его поверхности, частично поглощается в нём и может проходить насквозь (рис.1).

В соответствии с этим можно составить баланс энергии, поступающей на объект:

            W = W1 + W2 + W3                                                                                                     (1)

где: W – поток энергии, поступающей на объект нагрева; W1, W2, W3 – соответственно, поток энергии, отражённый от поверхности объекта, поглощённый внутри объекта и проходящий сквозь него.

 

Рис. 1. Распределение энергии излучения при нагреве объекта.

 

Предполагается, что закрытый объём с продуктами имеет рефлекторы для повышения КПД устройства. Таким образом, потоки энергии отражённые от объекта и проходящие сквозь него вновь учувствуют в нагреве.

При интенсивном воздействии излучения на объект соотношение между компонентами энергетического баланса изменятся со временем из-за нагрева объекта и изменения его свойств. Поэтому условие (1) реально представляет собой мгновенный баланс энергии.

Слой, в котором происходит поглощение на начальной стадии, действует как мгновенный источник тепла. Параметры этого источника зависят от спектрально-энергетических характеристик излучения и облучаемого материала, координат, температуры, времени. Выделяемая в слое поглощённая энергия диффузионно перераспределяется в объёме объекта нагрева.

В общем случае необходимо также учитывать энергию, теряемую на тепловое излучение Wt и конвекционный теплообмен с окружающей средой Wc (если нагрев происходит в вакууме, возможно пренебречь конвективным теплообменом вследствие его незначительности).

Потери на тепловое излучение в общем случае имеют место на поверхности пластины, и плотность интегрального потока их описывается законом Стефана – Больцмана:

                                                                                                              (2)

где: σ – постоянная Стефана – Больцмана; εsi– интегральная излучательная способность объекта нагрева; Т – температура объекта.

Конвекционные потери тепла пропорциональны разности температур поверхности объекта нагрева Т и окружающей среды Та:

                                                                                                      (3)

где: αc– коэффициент конвективного теплообмена.

Таким образом, рассматривая процесс нагрева и приготовления продуктов питания ИК излучением, следует отметить, что создаваемое в них пространственно-временное распределение температуры определяется особенностями формирования мгновенного внутреннего источника тепла в облучаемом материале продукта, кинетикой диффузионного перераспределения тепла в объёме объекта нагрева и потерями на теплообмен с окружающей средой [2].

Эти факторы необходимо учитывать при моделировании тепловых процессов в объектах, подвергающихся нагреву ИК излучением [1].

 

2. Модель объекта нагрева при воздействии ИК излучения

 

Рассмотрим задачу теплопроводности в круге радиуса R при следующих допущениях:

– объект нагрева облучается равномерным потоком с одной стороны;

– при поглощении излучения тепло выделяется мгновенно;

– термообработка осуществляется в воздушной среде, параметры которой в процессе приготовления продуктов питания изменяются вследствие образования паровой фазы, т.е. тепловые потери на конвекцию имеют место.

Исходная область имеет вид, изображённый на рис. 2. Поместим начало координат в центр круга и будем использовать цилиндрические координаты (R,φ).

 

Рис. 2. Система координат нагреваемого объекта ИК излучением.

 

Уравнение теплопроводности в цилиндрических координатах имеет вид:

                                              (4)

где: T=T(r, φ, t) – мгновенное значение температуры в момент времени t в точке с координатами (R,φ); C(T) – удельная теплоёмкость объекта; ρ – плотность объекта; К(Т) – коэффициент теплопроводности объекта; Q=A(E, r, φ, t, T) – мгновенный внутренний источник тепла.

Граничные условия записываются в следующем виде:

где: εsi – интегральная излучательная способность материала объекта; R – радиус загрузки продуктов питания в рабочем объёме; σ – постоянная Стефана-Больцмана.

Энергия, выделяемая внутренним мгновенным источником тепла, описывается функцией Q, имеющей вид:

                                                                (9)

где: E0 – интегральная плотность потока ИК излучения, падающего на поверхность объекта; Eλ – спектральное распределение плотности потока ИК излучения; α(λ, T) – спектрально- и температурно-зависимый коэффициент поглощения материала объекта; λ – длина волны излучения; R=R(T) – интегральный коэффициент отражения материала объекта нагрева.

Тут выражение в числителе дроби описывает интегральную объёмную плотность поглощения энергии с учётом спектрального распределения плотности потока ИК излучения, а выражение в знаменателе дроби описывает интегральную плотность потока энергии по всему спектру ИК излучения [2].

Предполагается, что в качестве источников ИК излучения используются галогенные лампы накаливания со специально разработанными рефлекторами[1]. Поэтому их излучение подчиняется закону излучения твердых тел, то в качестве функции, описывающей спектральное распределение плотности потока энергии, можно использовать формулу Планка:

                                                                                            (10)

где: c12 – постоянные Планка; Ts – температура излучающих поверхностей спиралей.

Таким образом, разработанная модель мгновенного источника тепла является наиболее точной, поскольку учитывает спектральные и температурные зависимости параметров облучаемого материала.

 

Литература

 

1.                   Зворыкин Д.Б., Прохоров Ю.И. Применение лучистого инфракрасного нагрева в электронной промышленности. – М.: Энергия, 1980. – 176 с.

2.                   Оцисик М. Н. Сложный теплообмен. Перевод с английского; под ред. Н. А. Анфимова – М.: Мир, 1976. – 615 с.

 

Поступила в редакцию 24.04.2013 г.

2006-2017 © Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов.
Все материалы, размещенные на данном сайте, охраняются авторским правом. При использовании материалов сайта активная ссылка на первоисточник обязательна.