米飯導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法的研究

孟春玲， 劉廣偉， 梁 韜， 趙秀華， 李 彤

（北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048）

米飯導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法的研究

孟春玲， 劉廣偉， 梁 韜， 趙秀華， 李 彤

（北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048）

目前常規(guī)的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀無(wú)法測(cè)量米飯等濕物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，利用數(shù)值模擬仿真軟件FLUENT和自行設(shè)計(jì)搭建的試驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合仿真分析和試驗(yàn)，提出了一種米飯導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量方法，研究工作為自熱食品的后續(xù)研究提供基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

米飯；導(dǎo)熱系數(shù)；測(cè)量方法；CFD

自熱食品加熱過(guò)程高度復(fù)雜，包括熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱及相變換熱［1］，同時(shí)也存在著流固耦合傳熱問(wèn)題。為研究自熱食品的傳熱過(guò)程，首先需要得到主食部分較為準(zhǔn)確的熱物性參數(shù)，如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等。

目前常規(guī)的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀主要用于測(cè)試塑料、橡膠、玻璃等各種固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)，同時(shí)借助夾具還可以測(cè)量顆粒料、散料、軟料等各種不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)［2-6］。因?yàn)樽詿崾称分械闹魇巢糠质怯刹煌M份組成的濕物質(zhì)，如米飯等，各組分具有不同的理化性質(zhì)，按不同比例配制的食品具有比較復(fù)雜的熱物性；同時(shí)由于自熱食品中主食部分的含水量、放置時(shí)間的長(zhǎng)短等都會(huì)顯著影響其導(dǎo)熱系數(shù)，因此現(xiàn)行辦法很難準(zhǔn)確測(cè)量自熱食品中主食部分的導(dǎo)熱系數(shù)。

本文通過(guò)對(duì)自熱食品傳熱機(jī)理的研究，利用數(shù)值模擬仿真軟件FLUENT和自行設(shè)計(jì)搭建的試驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合仿真分析和試驗(yàn)，提出了一種能夠測(cè)量米飯導(dǎo)熱系數(shù)的方法，研究工作為含水類物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定提供了一種全新的、方便快捷的方法，為自熱食品的后續(xù)研究提供基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

當(dāng)物體內(nèi)部有溫度梯度存在時(shí)，就有熱量從高溫處傳遞到低溫處，這種現(xiàn)象被稱為熱傳導(dǎo)。傅里葉指出，在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的熱量，正比于物體內(nèi)的溫度梯度，即：

式（1）中，Q表示熱量（W）；t表示時(shí)間（s）；T表示溫度（K）；x表示法向上的長(zhǎng)度（m）；S表示面積（m2）；λ是導(dǎo)熱系數(shù)（W·（m·K）-1）。

故為傳熱速率，是與面積dS相垂直方向上的溫度梯度，“-”號(hào)表示熱量由高溫區(qū)傳向低溫區(qū)，λ是導(dǎo)熱系數(shù)［7］。

導(dǎo)熱系數(shù)是表征物體傳熱性質(zhì)的物理量，本文以米飯為例探究濕物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量方法。

1.1 試驗(yàn)材料

自加熱米飯（煮熟含水的真空包裝）。

1.2 試驗(yàn)儀器

TWC-2A型多路溫度測(cè)試儀1臺(tái)、電腦1臺(tái)、TWC_Serial測(cè)溫軟件1套、熱電偶多支、導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量筒1件、加熱帶（25 W/m）若干、CFD商業(yè)軟件FLUENT。

導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量筒是自己設(shè)計(jì)加工完成的，主要由3部分組成，包括上端蓋、下端蓋、導(dǎo)熱桶，其中上端蓋與下端蓋加工所用材料為導(dǎo)熱性能較差的硅橡膠，尺寸較厚，作為上端蓋和下端蓋的封閉作用外，還有隔熱的作用。在試驗(yàn)的過(guò)程中，導(dǎo)熱筒需要有較好的導(dǎo)熱性能，所以采用導(dǎo)熱性能較好的鋁材，并且設(shè)計(jì)厚度也較薄，壁厚只有1 mm。裝置示意圖如圖1。

圖1 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定裝置示意圖Fig.1 Thermal conductivity measuring system diagram

1.3 試驗(yàn)方法

1）用自熱米飯將導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量筒填滿，蓋好上下端蓋，用加熱帶將導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量筒全包裹。

2）將熱電偶一端連接到TWC-2A型多路溫度測(cè)試儀上，另一端插入導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量筒中米飯的中心位置；再連接一熱電偶測(cè)量環(huán)境溫度。

3）調(diào)試TWC-2A型多路溫度測(cè)試儀、TWC_ Serial測(cè)溫軟件。

4）打開(kāi)TWC_Serial測(cè)溫軟件，記錄環(huán)境溫度；再將加熱帶接通電源，實(shí)時(shí)記錄米飯中心溫度，記錄時(shí)間為1200s，繪制米飯中心溫度曲線，以時(shí)間為橫坐標(biāo)，米飯中心溫度為縱坐標(biāo)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖2。

圖2 導(dǎo)熱系數(shù)曲線比對(duì)Fig.2 Comparison diagram of thermal conductivity curves

5）在FLUENT中建立導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定裝置仿真模型，參照文獻(xiàn)中米飯導(dǎo)熱系數(shù)0.694 W·（m·K）-1［8-9］，同時(shí)取導(dǎo)熱系數(shù)為0.3，0.7，1.0 W·（m·K）-1，對(duì)模型分別進(jìn)行計(jì)算，繪制米飯中心溫度曲線。

2 仿真建模

導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定裝置的本質(zhì)是熱量在物體內(nèi)部相鄰部分之間的傳遞，加熱帶接通電源，釋放熱量，熱量直接以熱傳導(dǎo)的方式傳遞到鋁殼，熱量再由鋁殼傳遞到鋁殼中米飯各個(gè)部分，滿足熱傳導(dǎo)現(xiàn)象導(dǎo)熱方程：

式（2）中，ρ、c、t、T、Φ·、λ分別代表密度（kg/m3）、比熱容（J·（kg·K）-1）、時(shí)間（s）、溫度（K）、發(fā)熱率（W/m3）和導(dǎo)熱系數(shù)（W·（m·K）-1）。

導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定裝置除了內(nèi)部存在熱傳導(dǎo)現(xiàn)象外，加熱帶外表面、頂蓋外表面、底蓋外表面與環(huán)境之間存在對(duì)流換熱現(xiàn)象。對(duì)流現(xiàn)象是借溫度不同的各部分流體發(fā)生擾動(dòng)和混合而引起的熱量轉(zhuǎn)移。對(duì)流傳熱的基本計(jì)算式是牛頓冷卻公式，可表示為：

式（3）中，Φ為換熱量（W），比例系數(shù)h稱為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（W·（m2·K）-1）（又常稱為對(duì)流換熱系數(shù)）；ΔT為溫差（K），約定永遠(yuǎn)取正值；A為對(duì)流換熱面積（m2）。

本文仿真建模必須完整地體現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定裝置在工作狀態(tài)下熱傳導(dǎo)和對(duì)流換熱現(xiàn)象。

2.1 建立模型

設(shè)計(jì)的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定裝置包括鋁殼、米飯、頂蓋、底蓋、加熱帶，加熱帶纏繞在鋁殼外，為了加快鋁殼外面加熱帶的熱量傳遞到米飯，裝載米飯的鋁殼比較薄，厚度為1 mm，為了盡量減小熱量散失，頂蓋和底蓋采用導(dǎo)熱性能較弱的硅橡膠。

運(yùn)用ANSYS ICEM CFD對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定裝置劃分網(wǎng)格，如圖3，單元數(shù)7 344，節(jié)點(diǎn)數(shù)8 260。

2.2 材料參數(shù)

為了得到米飯較為準(zhǔn)確的導(dǎo)熱系數(shù)，在仿真過(guò)程中要求模型中其他材料的熱物性參數(shù)準(zhǔn)確。導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定裝置的鋁殼所用的鋁材型號(hào)為2A12，頂蓋、底蓋所用的材料為硅橡膠，米飯的密度、比熱容也已通過(guò)試驗(yàn)得到了較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，如表1。

3 結(jié)果分析

FLUENT軟件是世界領(lǐng)先的CFD軟件，凡是和流體、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的研究工作均可使用。它具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法和強(qiáng)大的前后處理功能，在航空航天、汽車設(shè)計(jì)、石油天然氣和渦輪機(jī)設(shè)計(jì)等方面都有著廣泛的應(yīng)用［11-15］。導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定裝置在工作狀態(tài)下，具有較復(fù)雜的加熱過(guò)程，既有熱傳導(dǎo)又有對(duì)流換熱，運(yùn)用FLUENT軟件來(lái)進(jìn)行計(jì)算仿真。

圖3 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 Thermal conductivity measuring system structure diagram

表1 各物質(zhì)熱物性參數(shù)［10］Tab.1 Physical property parameters

參照文獻(xiàn)資料中的米飯導(dǎo)熱系數(shù)，分別進(jìn)行了導(dǎo)熱系數(shù)為0.3，0.7，1.0 W·（m·K）-13種條件下的仿真分析，得到了3種條件下米飯中心溫度隨時(shí)間的變化曲線，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較（見(jiàn)圖2）。

從圖2可以看出，米飯導(dǎo)熱系數(shù)取0.7 W·（m·K）-1時(shí)，與試驗(yàn)結(jié)果最為吻合，這也與文獻(xiàn)資料［8］中所測(cè)得的米飯導(dǎo)熱系數(shù)為0.694 W·（m·K）-1基本一致，從而驗(yàn)證了該方法的合理性。

4 結(jié) 論

由于米飯的含水量、放置時(shí)間的長(zhǎng)短等都會(huì)顯著影響其導(dǎo)熱系數(shù)，因此常規(guī)的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀無(wú)法測(cè)量米飯的導(dǎo)熱系數(shù)。FLUENT軟件是世界領(lǐng)先的流體和熱傳遞CFD軟件，利用FLUENT和自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)平臺(tái)，在仿真分析和試驗(yàn)基礎(chǔ)上所提出的測(cè)量米飯導(dǎo)熱系數(shù)的方法，是一種全新的、方便快捷的方法，該方法適用于米飯等所有常規(guī)儀器無(wú)法測(cè)定導(dǎo)熱系數(shù)的濕物質(zhì)，該方法的提出為濕物質(zhì)傳熱過(guò)程的研究提供了基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

［1］Kandlikar S G，Robertson W R，Sundarraj V.Thermal analysis and development of ration packaging for efficient heating with flameless electrochemical heaters［M］. Rochester：Rochester Institute of Technology，1992：16-67.

［2］Kandlikar S G.Thermal optimization of flameless ration heaters［M］.Rochester：Rochester Institute of Technology，1990：52-78.

［3］陳國(guó)凡，陳清華.松散物料導(dǎo)熱系數(shù)便攜式測(cè)試系統(tǒng)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2011，33（10）：41-46.

［4］劉斌，陳艷婕.米粉、綠豆粉及黃豆粉的導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究［J］.食品科學(xué)，2009，30（5）：24-26.

［5］陳清華，張國(guó)樞，秦汝祥，等.熱線法同時(shí)測(cè)松散煤體導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，38（3）：336-40.

［6］孫慶龍.不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)與溫度關(guān)系研究［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2011，24（5）：4-7.

［7］陶文栓.傳熱學(xué)［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006：10-36.

［8］李春香.微波復(fù)熱米飯過(guò)程溫度分布規(guī)律的研究以及傳熱模型的建立［D］.無(wú)錫：江南大學(xué)，2010.

［9］Mohsenin N N.Thermal properties of foods and agricultural materials［M］.New York：Gordon and Breach Science Publishers，1980：42-48.

［10］曾正明.實(shí)用工程材料技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：596-597.

［11］鄭志偉.基于FLUENT的加熱爐模擬與優(yōu)化［D］.北京：中國(guó)石油大學(xué)，2010.

［12］于勇.FLUENT入門與進(jìn)階教程［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2008：56-108.

［13］Ho S H，Rahman M M，Sunol A K.Analysis of thermal response of a food self-heating system［J］.Applied Thermal Engineering，2010，64：394-407.

［14］Campanone L A，Zaritzky N E.Mathematical analysis of microwave heating process［J］.Journal of Food Engineering，2005，69：359-368.

［15］Yu S F，Ma Y，Liu T Y，et al.Impact of cooling rates on the staling behavior of cooked rice during storage［J］.Journal of Food Engineering，2010，96（3）：416-420.

Study on Measuring Method for Conductivity Coefficient of Cooked Rice

MENG Chunling， LIU Guangwei， LIANG Tao， ZHAO Xiuhua， LI Tong
（School of Material and Mechanical Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China）

Currently the conductivity coefficient of wet materials such as cooked rice and so on cannot be measured by the conventional machines.In this study，the CFD software FLUENT was applied and the experimental devise was set up.A measuring method for the conductivity coefficient of cooked rice was presented and validated by comparison of numerical simulating results with testing results.This research provided theoretical fundamentals for the succeeding research of self-heating foods.

cooked rice；conductivity coefficient；measuring method；CFD

檀彩蓮）

TS213；TS210.1

A

10.3969/j.issn.2095-6002.2015.02.013

2095-6002（2015）02-0067-03

孟春玲，劉廣偉，梁韜，等.米飯導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法的研究［J］.食品科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，33（2）：67-69.

MENG Chunling，LIU Guangwei，LIANG Tao，et al.Study on measuring method for conductivity coefficient of cooked rice［J］.Journal of Food Science and Technology，2015，33（2）：67-69.

2015-01-15

孟春玲，女，教授，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及仿真研究。