包装对食品冻结的影响范文

1数学模型

1.1食品冻结条件的模拟本文的研究对象是带有包装的分割肉，由于包装的阻隔作用，不考虑食品向外界空气的水分散失。将食品放入一个强制空气循环冻结间中，该冻结间使用冷风机作为制冷设备，冻结间几何尺寸为4.05m×2.52m×2.32m，其外形结构如图1所示，食品置于冷风机出口轴平面上。图1冻结间外形结构Fig.1Geometryofair-blastfreezer使用CFD方法可以有效地模拟食品冻结过程中库房内的空气参数分布，假设食品的表面传热系数在整个冻结过程中保持不变。一般来说，当考虑自然对流的时候，食品的表面传热系数会随着空气流场变化而发生改变。有研究表明，当空气流速大于0.5m/s时，自然对流的影响就可以忽略不计[1]，在冻结间中，为了保证冻结质量，一般要求掠过食品表面的风速达到1～2m/s，所以在模型中忽略自然对流的影响，认为食品表面传热系数在整个冻结过程中保持不变。在以上假设的基础上，对库房内的空气进行稳态模拟，固定食品表面温度，模拟库房空气与食品之间的传热以及空气参数分布。为了准确模拟食品表面的传热，使用加强型墙方法处理食品表面区域。在远离食品表面的主流区，使用k-ε模型，而在近墙的粘度影响区域，使用Wolfshtein的一方程模型。食品表面需要构建细密的网格，使输运方程能够一直求解到层流底层。冷风机风机送风口设为速度入口，风机回风口设为自由出流边界条件，实验测得冷风机的出口风速，作为冷风机出口的边界条件。食品、围护结构和冷风机的壁面取第一类边界条件，速度取为无滑移条件，即壁面上各个速度分量为零。在得到的库房空气参数分布中，取食品表面近墙区域的空气温度梯度计算食品表面的局部热流，使用该热流以及食品表面与主流空气的温差，就可以根据牛顿冷却公式计算得到食品的局部表面传热系数，对不同位置的局部表面传热系数进行积分处理以计算单体食品的平均表面传热系数。

1.2食品包装的模拟本文所研究的食品为分割肉，在分割肉表面包裹聚乙烯薄膜，然后分别放入铁盒或纸盒，其几何形状如图2所示在食品的包装中，聚乙烯薄膜的存在几乎完全隔绝了水分传递，而对传热过程影响不大。在已知包装材料本身的几何参数和物性参数的情况下，模拟食品包装内传热过程的主要困难在于包装内空气层的模拟。在空气层中，传热过程主要表现为自然对流和辐射换热。对于水平封闭空间，当空气层的底层表面温度高于顶层表面温度的时候，自然对流就会发生。可以通过经验公式计算得到空气层的有效导热系数。

1.3食品本身的模拟在食品中的每一点应用傅里叶导热方程得到冻结过程食品内部的传热模型

1.4模拟方法为了模拟食品内部的传热过程，需要计算空气层的热阻，然而在计算空气层热阻的公式中，却需要事先已知食品表面和包装材料内表面的温度，造成计算的困难。本文使用迭代方法从一个假设的食品表面温度不断逼近食品表面温度的真值。在食品冻结的过程中，从外向内，分别有以下3种传热过程：假设一个食品表面温度值Tms，通过求解上述非线性方程得到包装材料内表面温度Tpi，进而计算得到包装材料外表面温度Tpo和空气层的热阻，代入到食品的传热过程模拟中，计算得到食品内部的温度分布和一个新的食品表面温度值msT，反复进行数次迭代，直到误差精度满足要求。

2实验验证

为了验证上述模型的准确性，进行不同包装材料的食品冻结实验。冻结间内空气温度采用双位调节，温度上限为-19℃，下限为-24℃，采用温湿度记录仪记录冻结过程中空气温湿度的变化并输入到食品的冻结模型中。在冻结过程中冷风机始终保持运行，维持库房内一定的空气流速。风机出口直径经测量为0.53m，使用热线风速仪测得冷风机出口风速为7.82m/s。冻结实验的对象为带有外包装分割肉，外包装分别为长方体形状的纸盒和圆柱体形状的铁盒。分割肉表面均覆盖有一层聚乙烯薄膜，与包装材料之间均留有空气层。食品几何参数如表2所示。在食品内部不同位置安置热电偶，记录冻结过程中的温度变化情况，食品内热电偶的分布位置如图2所示。

3结果与讨论

对上述实验条件下的食品冻结过程，应用本文提出的模型进行模拟，以验证模型的准确性。另外，分别采用忽略空气层和以热阻处理空气层的方法对冻结过程进行模拟，与本文的模型结果进行比较分析。图4是纸盒包装的分割肉在冻结过程中的温度变化情况，通过食品中心和上表面的温度对比，可以看到，模型预测结果与实验数据吻合较好，误差主要来源于模拟中对食品所作的一维假设。从图中可以看到，食品上下表面的降温曲线有很大的差异，由于食品上表面与包装材料之间存在空气层，导致食品下表面的温度下降要比上表面快得多，空气层的存在增加了食品外包装的热阻，在起到一定保护作用的同时，也减小了食品的降温速度。当忽略空气层的影响时，由于没有考虑空气层的热阻，使食品的中心温度下降过快，与实验结果有较大误差，如果进一步忽略包装材料的热阻，模拟结果的准确度会进一步下降；当使用导热来处理空气层传热时，由于空气的导热热阻远大于实际中空气层发生的自然对流和辐射换热的热阻，使预测结果降温过慢，甚至不能在规定时间内完成冻结。图5为纸盒包装食品在冻结过程中包装材料的温度变化情况。从图中可看到，模拟得到的空气层温度变化与实验数据较为一致。由于库房温度的控制策略的影响，库房内的空气温度不断在上下限之间波动，这种波动在向食品内部深入的过程中，逐渐减弱。包装材料内外表面的温度仍然有很大的波动，空气层温度的波动已经很小，而食品内部各点的温度几乎看不到任何波动，可见包装的存在确实能够对食品本身提到一定的保护作用，减小外部环境的温度波动对于食品本身的影响。图6是铁盒包装的分割肉在冻结过程中的温度变化情况，由于铁盒包装的食品厚度仅为纸盒内食品的1/2，其几何形状更加趋于无限大平板，模拟中所作的假设对模拟精度影响更小，铁盒模拟结果要比纸盒模拟结果有着更高的准确度。从图中可以看到，铁盒包装食品的降温过程要比纸盒快得多，与纸盒食品的冻结过程类似，食品上下表面的温度存在差异，由于空气层的存在，下表面的降温过程要比上表面快得多，食品中心位置与上表面之间的温差很小。当忽略空气层热阻或者以导热来处理空气层传热时，模拟结果与实验结果都有较大的误差。可见本文提出的模型能够更加准确地模拟带有包装的食品的冻结过程。铁盒包装食品的内部温度波动情况与纸盒类似，如图7所示。从图中可以看到，模型预测结果与测量结果误差很小。由于铁盒材料本身的导热系数很大，铁盒包装材料的内外表面温度几乎相等。在铁盒包装食品的冻结过程中，从外向内，温度的波动幅度越来越小，可见包装的存在减缓了外部环境波动对冻结过程的影响。铁盒包装食品冻结过程中食品外部的热主要为空气层的热阻以及食品与外部空气间的对流换热热阻。冻结过程中纸盒食品的包装的热阻变化情况如图8所示。假设包装材料本身的热力学性质在冻结过程中保持不变。在食品底层，仅存在包装材料本身，而在食品顶层，除了包装材料外，还存在一层空气层。从图8中可以看到，食品底层的热阻在冻结过程中保持不变，而在食品的顶层中，空气层的热阻与包装材料本身的热阻比较接近，使食品顶层总的热阻达到底层热阻的2倍以上。随着冻结过程的进行，空气层的热阻缓慢增大，增大的幅度不大。图9是铁盒食品的包装的热阻变化趋势图，同纸盒一样，假设铁盒材料本身的热阻不变。从图中可以看到，空气层的热阻远大于包装材料本身的热阻，使食品顶层的热阻远大于食品底层，造成食品内部不同位置冻结过程的差异。另外，空气层的热阻在冻结前期迅速增大，而当食品冻结完成后，食品本身的温度趋于稳定，空气层的热阻也趋于稳定。空气层热阻的变化跟食品温度的变化具有相反地趋势，同时空气层热阻还受到外界空气的温度波动的影响。可见食品与包装材料之间的空气层对于食品冻结有很大的影响，而且其影响还会随着冻结过程的进行不断发生改变。

4结束语

本文研究了包装材料对食品冻结过程的影响，首先使用CFD方法模拟食品的冻结条件及食品表面传热系数，在食品包装的传热过程模拟中，使用经验公式计算空气层中的自然对流和辐射换热，最后使用有限差分方法模拟食品内部的传热过程。将模拟结果与实验结果进行对比，本文的模型可以比较准确地模拟带包装的食品的冻结过程。在食品冻结过程中，包装的存在确实可以对外界环境温度的波动起到一定的阻隔作用，但同时却也减慢了食品的冻结速率，影响食品的冻结质量。在食品包装中，空气层对食品冻结往往有很大的影响，尤其是对于自身热阻较小的包装材料而言，空气层的热阻在冻结过程中不断增大，其变化趋势与食品本身的降温过程相反。

作者：王贵强邹平华刘明生刘永鑫单位：哈尔滨工业大学市政环境工程学院