Кратко описание

1 Публикация на ХИМИЧЕСКИ ИНЖЕНЕРИНГОВИ СДЕЛКИ ТОЛ. 43, 2015 г. Главни редактори: Sauro Pierucci, Jiří J. Kleme & s.

печено

Описание

Публикация на

ХИМИЧНИ ИНЖЕНЕРИНГОВИ СДЕЛКИ VOL. 43, 2015

Италианската асоциация по химическо инженерство онлайн на www.aidic.it/cet

Пренос на топлина и маса при готвене на печено говеждо месо. Прогноза за отслабване на температурата и загуба на тегло, Dipartimento per Gli Alimenti la Nutrizione e l'Ambiente, Università degli Studi di Milano, Milano, Via Mangiagalli 25, I-20133, Италия [имейл защитен]

Разработването на хранителни процеси, съставки и формулировки е ежедневна тема за хранителната индустрия. Базиран на модел продукт, процес и оборудване проектират все по-голямо индустриално внимание, поради големия потенциал за спестяване на време и пари. Довеждането на тези предимства до масата на потребителите чрез прилагането на този подход е едно от най-големите предизвикателства пред храните и биопроцесора. Тази работа има за цел да разгледа готвенето на печено говеждо като практичен, широко разпространен, казус. Разработен е и валидиран с експерименти изчислителен модел, който съотнася температурата, времето и загубата на тегло за стандартно парче месо, приготвено във фурна. Термичните свойства се получават с общ подход, приложим за друга храна. Уравненията за пренос на топлина и маса се основават както на законите за опазване, така и на условията за готвене.

Фигура 1: Схематично представяне на явленията, описани от модела: VD = дифузия на пара, LD = дифузия на течност, WL = загуба на течна вода, VL = загуба на пари Според тези предположения енергийният баланс за печеното говеждо се записва като.

∂T = λmix ∇ 2T - I ev ΔH ev ∂t

В това уравнение плътността ρ смес, топлопроводимостта λmix и специфичната топлина C p, смес се отнасят към сместа от компоненти в течната и твърдата фази.

е срокът на изпаряване на водата, който се взема предвид

изпаряване на течна вода при температури по-високи от 100 ° C. В този случай цялата енергия, отиваща към крайния елемент, отива към срока на изпарение и топлинният баланс се спира, докато се извърши изпарението.

е водна латентна топлина на изпарение.

Заедно с това може да се напише баланс върху течната вода:

∂C wl = Dwl ∇ 2C wl - I ev ∂t l

където D w представлява дифузивността на течната вода в матрицата на месото, докато

C wl е концентрацията на течна вода

в кг на квадратен метър. Междувременно балансът на водната пара приема формата:

∂C wv = Dwv ∇ 2C wv + I ev ∂t v

където D w представлява дифузивността на водните пари в матрицата на месото, докато

C wv е концентрацията на течна вода

в кг на квадратен метър. Тъй като само месото, което е близо до повърхността, се изпарява, този модел може да бъде опростен чрез прилагане на изпарението само върху повърхността. Между другото, избраната формулировка изглежда е по-изчерпателна. Граничните условия за представения модел са: v Dwv ∇ 2Cwv = K mat ⋅ (Cwv)

vap Dwl ∇ 2Cwl = K мат ⋅ (Cwl),

които представляват масовия пренос на пара и течна вода от хранителната матрица към околната среда. 4 λmix ∇ 2T = h ⋅ (Текст - T) + ϕσ (Twall −T 4)

Последното уравнение описва граничното условие за пренос на топлина чрез конвекция и излъчване. Параметрите на модела са взети или от литературата, или са оценени чрез регресия на експерименталните данни. Коефициентът на топлообмен се оценява на около 10 W/m2/K, коефициентът на воден транспорт е равен на 10-8 m/s, докато този за водни пари се оценява на 10-2 m/s. Дифузивността на течната вода се счита за 10-3 m2/s, докато тази на водната пара е 10-4 m2/s. Приема се, че повърхностната емисия на месото е равна на 0,91.

3. Експеримент Експериментите за разработване и утвърждаване на модела са проведени в търговска битова фурна. За процеса на печене беше избрано парче говежди мускул, чиито размери бяха приблизително такива на цилиндър с височина 18 см и диаметър 10 см и тегло около 1,4 кг. Процедурата се състоеше от следните фази: • Парчето месо беше извлечено от хладилника и поставено върху решетка. • След това беше оборудван с 3 термодвойки (тип Т), за да наблюдава центъра на печенето, точка на 5 mm под повърхността и точка между тях (вж. Фигура 2). • След това фурната беше включена с зададена температура от 180 ° C. Първоначалната температура на фурната беше 22 ° C. • Всички температури бяха непрекъснато измервани с термодвойки във фурната и записани с регистратор на данни. • Процесът на готвене е спрян, когато температурата на сърцевината достигне 65 ° C. Процедурата е повторена три пъти, за да потвърди експеримента.

Фигура 2: Схематично представяне на експерименталното оформление. Решетка и термодвойки в трите точки за централната секция: А) Сърцевина, Б) Под повърхността, В) Междинно положение

4. Резултати и дискусия Моделът е внедрен в търговски софтуер за решение на системи за уравнения с частични производни (PDE системи) с дискретизация на крайни елементи (COMSOL-AB, 2012). Цилиндър, който се доближава до реалните размери, представлява парчето месо. След това се разглежда аксиална симетрия, за да се опрости решението на модела. Температурата на околната среда е моделирана с функция на части, за да се доближат средните условия във фурната.

100 Ядро - Модел

60 Междинен модел CoreExperiment Surface Experiment Междинен експеримент

Фигура 3: Печена температура на срещата. Сравнение на модели и експерименти Резултатите, свързани с преноса на топлина (виж Фигура 3), показват добра тенденция за описание на температурите на повърхността и сърцевината. Всъщност експерименталната разлика между температурата на междинната точка и ядрото изглежда не е толкова значима. Между другото, моделът е много чувствителен към минимални вариации и е възможно вариация от само 5 mm да бъде отговорна за температурна разлика от 5-10 ° C. Освен това, изглежда, че моделът разумно възпроизвежда експерименталната тенденция.

Съдържание на вода в суха основа [kg/kg]

3,5 3 2,5 2 Модел

Фигура 4 Съдържание на месна вода. Сравнение на модели и експерименти Постигната е и разумна прогноза, свързана със загубата на вода (вж. Фигура 4). Моделът надценява загубата на тегло с 25% в сравнение с резултата от експеримента. Това може да се отдаде или на изчислението на свойствата на сместа, или на оценката на параметрите на масообмена. Трябва да се обърне допълнително внимание на оценката на параметрите. Освен това, по-точно описание на експерименталните резултати може да се получи чрез добавяне на транспорт на влага с градиенти на налягането.

5. Заключение и бъдещи развития Моделът изглежда разумно съгласен с експериментите, въпреки че трябва да се направи повече внимание върху термичните свойства и оценката на коефициентите на дифузия. Доброто сравнение със съществуващите литературни модели и експерименти може да даде голям принос за развитието на модела, за да представи по-добре няколко