利用仿真 App 优化食品加工工艺中的感应加热技术

Abbie Weingaertner 2016年 8月 1日

现代食品加工技术层出不穷。为了对此类技术及其所用设备的效率进行评估,研究人员和工程师开始将目光转向如 COMSOL Multiphysics 一类的仿真工具。数值模拟 App 可以大幅拓展仿真的受众,并加速工艺的优化流程。让我们来了解一下仿真 App 是如何对食品加工过程中的感应加热技术进行分析的。

感应加热:一种可行的食品加工技术

自古以来,食品加工便在为消费者提供优质食物的过程中扮演着重要的角色。人们在很早以前就开始利用腌制保存、发酵及日光干燥等技术去除食物中的毒素和有害微生物,以此来提高食物的保质期,使其能被远距离运输。虽然上述技术中仍有一部分我们今天仍在使用,然而为了满足人们对效率和质量更高的追求,食品工业已演化为一个更为复杂的过程。

照片展示了日光干燥这一食品加工技术。
日光干燥是食品加工技术中的一种。图像由 Ariane CCM 自行拍摄。已获 CC BY-SA 3.0 许可,通过 Wikimedia Commons 共享。

感应加热已成为食品加工工艺中的一个广受欢迎的选择。与通过热水或蒸汽对管道进行加热的方法相比,通过感应加热可以更好地控制温度,进而有助于防止局部高温。与巴氏消毒法一类的食品加工工艺相比,这项技术可更好地使食物品质得以保存,同时还提升了灭菌效率。更重要的是,由于食品不直接与线圈进行接触,所以在对不同类型的食品进行加工时,可以非常方便地对所用管道进行更换。同时因为此项工艺完全依靠电能,所以几乎不需要用到水,这是另一个巨大的优势。

线圈和管道的配置对食品加工工艺中的感应加热技术的可靠性和效率起着重要作用。正如我们将在下文中重点阐释的,数值模拟 App 是测试各类设计配置,并向用户快速传递精确结果的有力工具。

借助 App 测试管线感应加热器的各种设计配置

首先,让我们看看管线感应加热器 App 的底层模型。该模型由一个缠绕在一组管道上的圆形电磁线圈构成,且管道内有流体(流质食物)流动。当交流电通过线圈时,会产生交变磁场。随后,交变磁场穿透管道,并在管道内产生涡流,使其升温。

管线感应加热器模型的几何结构。
管线感应加热器模型的几何结构。

该 App 是为测量管线感应加热器对流经管道的流体的加热效率而设计的,对于铁素体不锈钢管和非铁素体不锈钢管均适用。由于铁素体不锈钢组分中不含镍元素,所以其价格相对低廉且稳定,这使得这一材料在食品加工方面展现出了新的潜力,因而在食品工业领域广受欢迎。

我们已经介绍了此 App 的创建基础,现在让我们将重点转到设计上来。请记住,当您在设计 App 时,一定要掌控所有包含的参数,以及特定的布局和结构。最终的目的是为您的特殊需求定制一件简单、易用的工具。

管线感应加热器仿真 App 的用户界面。
“管线感应加热器”仿真 App 的用户界面(user interface,简称 UI)。

“管线感应加热器” App 由两个主栏组成:位于左侧的设置 栏和位于右侧的图形 栏。在设置 栏,用户可便捷地修改管道和线圈的尺寸。作为进一步的指导,当几何输入框在每一个更新后,都会对几何 状态的有效性进行显示。只有在满足以下条件的情况下,几何状态才是有效的:

  • 线圈长度和位置必须匹配管道长度
  • 管道厚度必须与内半径成正比

如不满足以上条件,几何状态将被判别为无效,直到对几何结构做出必要的修改。这有助于确保用户在运行测试时可获取符合实际的仿真结果。

屏幕截图显示了 App 设置栏的选项卡。
设置栏的选项卡。

同时,在材料和工作条件 栏设置有一系列输入参数,包括管道材料规格、线圈工作条件、流动状态及目标温度。用户在管道材料上有两种预定义选择: 410 不锈钢(马氏体合金)和 410s 不锈钢(铁素体合金)。如需自定义,用户还可以选择不锈钢(用户定义)选项,便可对材料的电导率和相对磁导率进行修改。

在对各参数进行相应修改之后,用户可将重点转向图形 栏。此处会显示多个绘图,其中包括几何形状、温度和磁通密度、沿管道流动的流体的温度、磁通密度、流体温度及流体速度幅值。

通过显示的数值结果,修改管线感应加热器的几何形状、材料、工作条件。请注意这段视频没有配音。

数值结果 栏会显示管道内的最高温度和出口处的最低温度。如果这两个数值中的任何一个高于或低于临界值,用户便会收到状态 栏弹出的消息。数值结果 栏还会显示出口的平均温升和管线感应加热器的热效率。

当用户得到了他们想要的结果,仅需要简单地通过点击功能区中的创建报告 按钮即可生成报告。通过这种方式,便可以方便地与设计流程中的其他同事分享他们的发现。

优化食品加工过程中的管线感应加热器的设计

仿真 App 这一有力的工具将复杂的物理场隐藏在了简单、易用的界面之下。通过授权更多人,让他们运行自己的仿真测试,这些工具极大地提高了设计工作流程的效率,同时还确保了所得结果的准确性。

在这里,我们已经演示了这一方法是如何对食品加工工艺中线管感应加热器的设计进行优化的,用户借助仿真 App 可以方便地对不同配置进行测试,直到获得想要的结果。正如该示例所示,仿真 App 可帮助加速食品加工技术的优化过程,它是使品质与效率完美结合的可行资源。

类似于网站“案例下载”中的其他演示 App,“线管感应加热器” App 的设计目的是用来启发与指导您开发自己的仿真 App。我们鼓励您以它为基础来创建自己的 App,让用户能够修改此类相同的参数或替换相关参数来满足建模需求。

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