CN104833696A - 用于验证饮料灭菌过程数值仿真的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于验证饮料灭菌过程数值仿真的装置及方法，该装置包括一计算机、一与所述计算机连接的温度记录仪、一热电偶和一恒温加热装置；所述恒温加热装置内设有一支架，所述支架上设有一灭菌罐；所述支架上还设有一竖向分布的固定杆，所述灭菌罐的上端面穿设有一空心管，所述空心管固接于所述固定杆；所述热电偶穿设于所述空心管，所述热电偶的一端与所述温度记录仪连接，另一端位于所述灭菌罐的腔体内。本发明的装置及方法可以验证饮料灭菌过程的数值仿真得出结果的准确性，提高数值仿真得出的结果的准确性，降低了成本，提高了效率。

Description

用于验证饮料灭菌过程数值仿真的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于验证饮料灭菌过程数值仿真的装置及方法。

背景技术

在食品的各种加工流程中，灭菌是最关键的环节之一，因为灭菌装置的质量优劣会直接影响生产后食品的卫生等级。随着人民生活水平的提高，对饮料灭菌的要求也相应提高。目前，对灭菌的要求是既不能大量破坏饮料中的维生素、蛋白质、益生菌等营养元素，又要保证灭菌的彻底性，使得饮料中的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、李氏杆菌等对人体有害的菌落总数在一定时间得到有效控制。

常规的加热灭菌方式又分为巴士灭菌、高温短时灭菌和超高温瞬时灭菌，三种灭菌的温度要求分别为60℃～100℃、100℃～150℃和150℃以上，因此不同种类的饮料有各自适合的不同的加热灭菌方式。

为分析灭菌过程饮料内部营养破坏情况，需要在灭菌过程中对灭菌装置内不同位置的温度变化情况进行监测。为克服实际购买原料进行试验存在成本高、浪费大、周期长的缺陷，可以采用灭菌过程的数值仿真对灭菌过程进行仿真模拟。灭菌过程的数值仿真即通过计算机数值计算对饮料灭菌过程进行仿真模拟。但是，在数值仿真的选择中，各项方程、模型网格质量、边界条件等的设置会影响仿真结果。因此，数值仿真方法得出的结果与实际试验结果存在较大误差的缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有数值仿真方法得出的结果与实际试验结果存在较大误差的缺陷，提供一种用于验证饮料灭菌过程数值仿真的装置及方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种用于验证饮料灭菌过程数值仿真的装置，其特点在于，其包括一计算机、一与所述计算机连接的温度记录仪、一热电偶和一恒温加热装置；所述恒温加热装置内设有一支架，所述支架上设有一灭菌罐；所述支架上还设有一竖向分布的固定杆，所述灭菌罐的上端面穿设有一空心管，所述空心管固接于所述固定杆；所述热电偶穿设于所述空心管，所述热电偶的一端与所述温度记录仪连接，另一端位于所述灭菌罐的腔体内。

较佳地，所述恒温加热装置为一恒温水浴箱。恒温水浴箱是常用的装置，具有良好的加热性能。

较佳地，所述恒温加热装置为一恒温油浴箱。恒温油浴箱是常用的装置，具有良好的加热性能。

较佳地，所述支架为一钢丝支架。这样，可以使得灭菌罐受热更均匀。

较佳地，所述空心管为一空心塑料管，所述灭菌罐为一不锈钢灭菌罐。不锈钢灭菌罐具有强度高、耐腐蚀的优点。

较佳地，所述空心管与所述灭菌罐之间设有一密封圈。这样，可以提高空心管与灭菌罐之间的密封性。

较佳地，所述空心管通过一固定胶带固接于所述固定杆。这样，空心管可以牢固地与固定杆固定。

一种用于验证饮料灭菌过程数值仿真的方法，其特点在于，其包括以下步骤：

S1、采用如权利要求1-8任意一项所述的用于验证饮料灭菌过程数值仿真的装置，在灭菌罐中加入饮料；

S2、启动恒温加热装置，将灭菌罐加热；

S3、启动电机，电机带动灭菌罐旋转，温度记录仪将热电偶检测到的温度传送到计算机；

S4、当灭菌罐灭菌结束，温度记录仪停止监控，从计算机上导出灭菌罐的温度变化数据；

S5、在数值仿真中以与步骤S1-步骤S3相同的条件进行设置并计算，得到灭菌罐的温度变化数据，将该温度变化数据与步骤S4得出的温度变化数据进行比较；

S6、根据步骤S5的数据比较结果，对数值仿真中的数值计算模型进行调整。

本发明的积极进步效果在于：本发明的装置及方法可以验证饮料灭菌过程的数值仿真得出结果的准确性，提高数值仿真得出的结果的准确性，降低了成本，提高了效率。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的结构示意图。

图2为图1中的A向视图。

具体实施方式

下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。

如图1和图2所示，一种用于验证饮料灭菌过程数值仿真的装置，其包括计算机1、与计算机1连接的温度记录仪2、热电偶3和恒温加热装置4；恒温加热装置4内设有支架7，支架7上设有灭菌罐8；支架7上还设有一竖向分布的固定杆5，灭菌罐8的上端面穿设有空心管6，空心管6固接于固定杆5；热电偶3穿设于空心管6，热电偶3的一端与温度记录仪2连接，另一端位于灭菌罐8的腔体内。

恒温加热装置4可以为恒温水浴箱或恒温油浴箱，支架7可以为钢丝支架，空心管6可以为空心塑料管，灭菌罐8可以为不锈钢灭菌罐。空心管6与灭菌罐8之间设有密封圈10。空心管6通过固定胶带9固接于固定杆5。

一种用于验证饮料灭菌过程数值仿真的方法，其包括以下步骤：

S1、采用前述的用于验证饮料灭菌过程数值仿真的装置，在灭菌罐8中加入饮料；

S2、启动恒温加热装置4，将灭菌罐8加热；

S3、温度记录仪2将热电偶3检测到的温度传送到计算机1；

S4、当灭菌罐8灭菌结束，温度记录仪2停止监控，从计算机1上导出温度变化数据；

S5、在数值仿真中以与步骤S1-步骤S3相同的条件进行设置并计算，得到灭菌罐的温度变化数据，将该温度变化数据与步骤S4得出的温度变化数据进行比较；

S6、根据步骤S5的数据比较结果，对数值仿真中的数值计算模型进行调整。

本发明涉及的装置及方法用于监测实际灭菌过程中饮料内部温度的变化，同时与数值仿真得出的温度变化数据相比较，用于验证数值仿真的精确性。本发明可以运用于验证果汁、牛奶、各式茶类等饮料的灭菌工艺的数值仿真中。本发明中，巴士牛奶灭菌工艺需使用恒温水浴箱(最高温度100℃)，高温短时灭菌工艺和超高温瞬时灭菌工艺使用恒温油浴箱(最高温度200℃)，恒温油浴箱和恒温水浴箱的容池尺寸为400mm×300mm×200mm。

本发明中，灭菌罐的制作材料和实际生产中运用的相一致，其强度和耐腐蚀性必须高于“304”牌号的不锈钢，且在高温条件下不产生对人体有毒害的物质。导入数值仿真中的灭菌罐尺寸需与实际模型一致，在计算程序中需将灭菌罐的导热系数、厚度、灭菌前后的罐体温度及罐内牛奶的物性参数等结合实际情况导入仿真程序中。

为保障试验能顺利进行，本发明的装置中的密封圈、固定杆、空心管、固定胶带均需能耐受200℃的高温，并能保持300分钟内不影响其使用功能。

为使试验过程中的灭菌罐能和热媒(即恒温水浴箱中的高温水或恒温油浴箱中的油)充分接触，本发明的装置采用钢丝支架，钢丝支架即采用钢丝制作的镂空支架，这样，灭菌罐可以用在高温下不影响其使用性能的绳子，牢固的绑在钢丝支架上，灭菌罐的底部与恒温水浴箱或者恒温油浴箱的容池底部留出约30mm至50mm的距离，以确保实验时灭菌罐的每个部位均有热量传入。

以本发明的装置进行实际试验，可以设定5种不同尺寸的灭菌罐，分别对5种不同尺寸灭菌罐进行仿真模拟，可针对罐中不同位置的单点或者多点温度进行仿真和测量，对数值仿真方案中方程、网格、边界条件、计算精度和各种流体物性参数的合理优化，直至5种不同尺寸灭菌罐的数值仿真得出的温度数据与以采用本发明的装置测得的温度数据之间的误差在8％之内，这时，表明该数值仿真的方案准确有效。该数值仿真方案就可用于模拟实际生产的饮料加热灭菌过程。

采用本发明的装置及方法，数值仿真方案只需前期投入验证数值仿真的成本，一旦仿真方案被证实准确，后期则完全能靠计算机的模拟来完成，无需任何后期费用。例如，监测1个容积为10m3的牛奶灭菌桶内不同位置5个点在灭菌过程中的温升情况，以分析其内部营养破坏情况，如采取传统试验的方式，需购买约10吨生牛奶，加上设备运行费用，单次试验的成本约为9万人民币，一次试验如需分析误差和方差，需重复3至5次，成本则为27至45万人民币，且需处理试验后的牛奶，造成了资源和能源的大量浪费，且试验中不可控的环境因素会对试验结果造成一定影响，整套试验完成一般需要5至10天周期。采用本发明提供的试验方法，只需购买计算机、恒温水浴箱(或恒温油浴箱)、温度记录仪等设备的费用，对恒温水浴箱(或恒温油浴箱)进行一定的改装，成本一般不超过5万人民币。如采取事先得到的准确仿真方案，重复5次仿真试验的时间一般不超过2天，且由于边界条件可同等设置(室温、湿度、压力等)，试验环境可以完全相同，得出的仿真方案由于之前得到验证，故可证实准确。采用本发明的装置及方法后，相比传统的实验方案，在得到相同的实验效果前提下，一次完整的实验可至少节约人民币20万以上，节约至少3天实验周期，且没有任何资源和能源的浪费。

本发明的装置及方法可以验证饮料灭菌过程的数值仿真得出结果的准确性，提高数值仿真得出的结果的准确性，降低了成本，提高了效率。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于验证饮料灭菌过程数值仿真的装置，其特征在于，其包括一计算机、一与所述计算机连接的温度记录仪、一热电偶和一恒温加热装置；所述恒温加热装置内设有一支架，所述支架上设有一灭菌罐；所述支架上还设有一竖向分布的固定杆，所述灭菌罐的上端面穿设有一空心管，所述空心管固接于所述固定杆；所述热电偶穿设于所述空心管，所述热电偶的一端与所述温度记录仪连接，另一端位于所述灭菌罐的腔体内。

2.如权利要求1所述的用于验证饮料灭菌过程数值仿真的装置，其特征在于，所述恒温加热装置为一恒温水浴箱。

3.如权利要求1所述的用于验证饮料灭菌过程数值仿真的装置，其特征在于，所述恒温加热装置为一恒温油浴箱。

4.如权利要求1所述的用于验证饮料灭菌过程数值仿真的装置，其特征在于，所述支架为一钢丝支架。

5.如权利要求1所述的用于验证饮料灭菌过程数值仿真的装置，其特征在于，所述空心管为一空心塑料管，所述灭菌罐为一不锈钢灭菌罐。

6.如权利要求1所述的用于验证饮料灭菌过程数值仿真的装置，其特征在于，所述空心管与所述灭菌罐之间设有一密封圈。

7.如权利要求1所述的用于验证饮料灭菌过程数值仿真的装置，其特征在于，所述空心管通过一固定胶带固接于所述固定杆。

8.一种用于验证饮料灭菌过程数值仿真的方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1、采用如权利要求1-7任意一项所述的用于验证饮料灭菌过程数值仿真的装置，在灭菌罐中加入饮料；

S2、启动恒温加热装置，将灭菌罐加热；

S3、温度记录仪将热电偶检测到的温度传送到计算机；

S4、当灭菌罐灭菌结束，温度记录仪停止监控，从计算机上导出灭菌罐的温度变化数据；

S5、在数值仿真中以与步骤S1-步骤S3相同的条件进行设置并计算，得到灭菌罐的温度变化数据，将该温度变化数据与步骤S4得出的温度变化数据进行比较；

S6、根据步骤S5的数据比较结果，对数值仿真中的数值计算模型进行调整。