罐头连续杀菌时间的计算

· 继续教育 · 罐 头 连 续 杀 菌 时 间的计 算 一 一 一 — 一 T Ql 厂 ＼ T 7 夏璐 ． 二I ⋯一⋯ 栅 言 ⋯⋯二 ⋯⋯ 兰一 ／1 封连续杀菌装置。封装好的罐头经传送带预热、杀 卜 ／l f’ I ：l 菌，再经冷却完成整个过程 。 ’r 一l l ’ Il 传送带的速度决定了罐头在杀菌室内的停留时 一l 。、、l一一 ，： ’广一 间 杀菌室内通人高压蒸汽，且在正常工况下．蒸汽 J 、J l J 压力保持一定，即加热热源的温度是恒定的，于是在 相同条件下 ，罐内食 品的传热热阻则 决定 了罐 内各 点温度达到微生物热死温度所需时间。 而罐内食品各异 ，有 固体 和牯 稠食 品．也有果 汁、汤类等低浓度流体状食品，由于传热的阻力相差 很大．则所需杀菌时间也不相同，长则几 十分钟 ．短 则几分钟 ，而对于整个罐头杀菌的生产线 ，则需要调 节传送带的速度 ： 关于罐头食品杀菌时间及 F值 的计算 ，已见于 很多的食品加工方面的书籍 中【 ，但往往 计算的只 是到达某一杀菌温度杀死一定旅度细菌 (或芽孢)所 需要的时间，而对于罐头如何从 初始温度 加热到某 一 杀菌温度的时间，只介绍 了一些粗略的图解法 。 而这二者的时 间之和 ，决定 了罐 头在杀 菌室内的总 停 留时间，若不能精确计算 ，时间短 ，则杀不死芽孢 ； 时间长，则消耗 的热能太。本文拟从这一方面进行 探讨 、以期对杀菌 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 提供参考。 2 计算部分 2．1 罐头食品的传热方式及温度分布 罐内食品的传热方式视食品的性 质而定 ，有 的 以导热为主，有的则是导热对流结台 ，有 的以对 流为 主。 对于干装食品、午餐 肉、果酱娄 ，是 以导热 为主 的，罐头的几何中心是导热传热 的最慢 的点 ，即冷 点。传热方式按博立叶定律计算。而对于软饮料罐 头，是液态的，受热后会迅速膨胀 ，密度改变 ．造 成丁 流体的循环流动 ，为对流传热 ．而它的冷点在罐 头轴 《化学工程师》111999(总第 期) I ! 群 对 ／ ／ 。 告1 广盎 盎1 葡 维普资讯 http://www.cqvip.com 一 般都有预热 。 2．2 计算方法 2 2．1 导 热 型 罐头的形状大多是短 圃柱体 ，在热传递理论 中 属二维不稳定导热 问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。关 于它们 的计 算方法 ，已 有系统的论述 ，主要方法为图解法 、数值解浩： 图解法的理论依据是：对设物体作热量衡算 ．通 过 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面A传给体积为v的固体的传热速率等于谈固 体的内能增加的速度，即 Ah(tw—t)- pCpV 或 ： + Ah Dv ( =0 式中 r一温度 p一密度 cp--~热 v-_体积 A 传热面积 }厂 表面传热系数 々 0=t-t∞ m= ，则上式改写为： +m 8：o 当 ：= 时，0=岛 则 =c一 。 其中华握数 Bi=(L／K)／(I／h) 博里叶数 =( )(a为扩散 系数)对于食品 罐头， 较大 ，表示固体的俦导热阻与周围流体的对 流热阻相比显得大 ，属于传导型 的，图解法计算对 ， 可将无限长圆柱和无限大平板的一维传热造加。对 于无限大平板，一维非稳态的传热方程为：譬=a ( )，令。=t一 ，则传热方程便为：篙=a( )，此 式是 一个以：和 x为独立变量的二阶偏微分方程，为 丁求解方程的方便 ，不妨设媪度 0是 函数 Y(r)和 x (x)的乘积 ．即o(x， )=Y(T)X(x)，这样 ，就将偏微分 方程分解为两个常微分方程 利用选代法求 出，而 0 是各个解的线性组台 = 0i=∑AnCos(~n÷)． 此式为 0t展开成傅立叶级数的袁达式 ，求 时 ，利 用王文性质，得出茜 (1Bi，Fo，吉)，而板中心温度可 表示为酱 ( ，F0，)，其中Bi=bh／k，F。 a ，即 =f2(Bi，Fn)如果已知 Bi数和 F。数 ，则 可利 用诺莫图，从图中查得告，再由已知初始口和流体温 度 t ，即可算出 值。 无限长圆柱径向一维非 稳态 导热 时，可应用微 分方程 ： ： c — )，解的结果是贝塞尔函 or r 0r 。 r · 4n · 数的形式．较为复杂，但具有的形式为：苦=f( ． Fo．r，R)，其 中 Bi= Rh／k， = a'r／ ． = ⋯ ／⋯ 。，故与大平板相似，将其表示成便于计算 的图形_5_。 短园柱罐头存在二个方向导热 ，用直接法求解二 维方程，必然是复杂的．工程上采用“乘积解”的方法 ， 已被 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 是台理 的 。即短圃柱是 由一个只存在一 维导热的无限大平板和一个只在径向存在导热 的无 限长圃柱正交截取的结果 ．则罐中心温度可表示为： 害=(害)太平板x(鲁)长圆柱 数值解法印有 限差 分方法 ，即一种用离散的网 格节点上的温度 分布来代替连续 的温度分布 的方 法=当网格划得鞍为 紧密时 ．方法的准 确度高。方 程虽然简单怛数 目多 ，总是藉 助于计算机。对短圃 柱罐头，二维非稳态导热微分方程为： = ( 十 0 【 l= )可写出其在(tn．n)节点上关于时间作向前差分 - 的方程为：薯 茬 ( + ． 一 ， “+ + +(t— 芸 ． 上式稳定性判据是。 矗 j {．可取高 ={ 具体的计算步骤是 ： (1)对圆柱体的中心截面进行网格划分．沿半径 方向是对称的，△x越小，计算则越精确 ti=—}(tl—t2 +t4 J (2)按稳定性判据确定△：的值 。 f3)按给定的初温分布，决定各节点的温度 ．m。 “)根据各节点方程和进界条件 ，计算 =△ 时 的各节 电温度 (5)以各节点的 毒． 为初值重复步骤 4，计算 2Z~-c对刻各节点温度 。依次继续计算，直至得出 到达指定所需 的时间下的各节点 温度 ，或中心到达 某温度所需的时间。 实例：一直径为 6．8cm，高 10 2on的豆酱罐头 罐头初 温 30℃ ，在 蒸 汽 中加热 杀 菌，蒸汽 温度 为 116~(2，豆酱的导热系数估计为 0 83W／(m·k)，比定 压热容(Cp=3 8kr／(kg’k)，密度 P：1090 k m ，表面 传热系数估计为 。=3820 W ( ·k)，试求罐中心达到 109℃对所需时间。 《化学工程师~1／1999(总第 70期) _ 维普资讯 http://www.cqvip.com 解：将圆柱的最大截面划分冈格，直径方 阿^等 分，△x；3‘ 呈=o 85=△y ， 纵向 lO面．2：12)12等 分。 由高 =了1删△一=等=c 等 =89．95≈1 5nfin计算时由于对称性 ．取第一象限为 准，原点处为罐的几何中心：(如图 4) I I l l ’l l j i 圈4 罐的几何中心 0时刻 ： 116 116 116 116 116 3o 30 3o 30 116 30 3o 3O 30 116 3o 3o ，。 30 ll6 30 3o 30 30 116 30 30 3o 30 116 3o 3O 3o 30 116 当c=△r：1 5min时，沿箭头方向，由外围逐渐 向原 点方向计算。如 ={(116+30+30+116)=73， (116+30+30 73)=62,3， = {(116+30+30+62．3)=60， ‰ {(116+60十30+6o)：66．5 得 出T=△c=1 5min时的温度分布 ： 116 l16 】l6 116 I16 66 5 60 62 3 73 1】 45 41．5 46 62 3 1l右 36 7 35 8 41 5 60 116 33 6 34 40 59 116 32 6 33 4 39 7 58 8 116 《化学工程师}1／1999(总第70期) 32 3 33．3 39 6 58 7 116 =2△c=3min．重复上述步骤 ．得出另 一-张分布 表． ⋯．当 T=32~,r=48nfin时， 109 8％2 由微 生物 热死 动 力 学，豆 酱罐 头 的 Fr= 2 45mir~，Z 9 14℃，由 10 j可知，罐中心温度 应达到 109 68℃，因此 ，罐头在设备内的时间应达到 48mjn 2 2 2 对流型 罐装果汁饮料往往先预热杀菌之后再进行装罐 包装，晟后再 进行 杀菌 而罐 内液体由于发生 自然 对流传热 。热阻小 ．使杀菌时间租短。 由于对流热阻小．则罐外蒸汽 的冷凝放 热的 埘 漉热阻亦不能忽略，故总热阻亡 + 而传热屉 Q=kant。 关于罐 外蒸 汽拎 凝技热 ，可 近似 利 用下 式计 算【j ：h=0 9 (菩噻 ){‘ 。 式中．L为罐高 P、 为蒸汽凝液的导热系数 、密度 、 粘度、而 k 为蒸汽的冷凝潜热 罐内对流传热系数 。由于 自然对 流运动不只受 空间形状(罐 型)及其几何尺 寸的影响 ，而且还与液 体食品的种类及换 热强度有关 ，会 发生内部环漉。 自然对流俦热的关联式 ，全用实验 方法测定。下式 可以作为估算之用_6 ： Nu：c(GT．叫 ( )m 式中 8为流体层厚度，H为流体厚度，c、n、I171为待 定参数 ，由实验进行测定。对圆柱形罐头，m取为 0。 参 考 文 献 1 棘尧润、王有佗 ：轻化工 与食品设备 北 京：中国轻工业 出版杜 1994年版 P136 2 李雅飞等编：食品罐藏工艺学 上海 上海交通太学出版 社 1988年 版 P87 3 无锡轻工业学院 天津轻工业学院台编：食品 i一程原理 北京：中国轻工业出版杜 1985年版 4 夏璐 ：罐凳食品杀菌温度和时 间的研究 r西农业^学 学报 1997 (4)：137 5 I盘克普和斯著：传递过程与单元操作 北京：精华 太学 出版社 1985年版 6 酥维 传 递过程 单元操作 +杭州 浙 江大学出龋扎 1993年版 作者单位：广西大学食品系f53c~5) 41 维普资讯 http://www.cqvip.com