我不用有限元,给你估算一个饺子皮内侧温度升到75度所需时间的上限。
先考虑开水侧。我认为对流换热热阻很小,饺子皮外侧的温度可以在极短的时间内达到95度以上。以后外侧的温度虽有缓慢上升,其影响可以忽略不计。计入这个升温只会缩短升温时间。这个有问题吗?
再考虑内侧。在固定馅的体积、密度、热容不变的情况下,什么时候皮内侧的升温最慢?很明显,馅的导热系数越大,皮内侧的升温越慢(因为热量被更快地移走了嘛) 。馅的导热系数无限大时,皮内侧的升温最慢。这个有问题吗?
馅的导热系数无穷大,内部就没有温度梯度。馅的温度永远等于皮内侧的温度。
再来考虑传入皮外表面的传热速度。如果用皮的内外温差除以皮厚来代替外表面的温度梯度,肯定不会高估传热速度,对不对?由于皮本身的温升,温度分布一定是下凹的,而且温度梯度从外到内越来越小。对不对?
现在再来算传出皮内侧的热流。这个热流等于传入皮外侧的热流,减去皮升温吸收的热。
如果馅的温度升高dT,皮的平均温度升高一定小于dT。对这个有问题吗?注意皮的外侧温度基本不升。所以如果我按皮的平均升温等于dT来算吸热量,肯定是高估吸热量了,因而肯定低估传入馅的热量了。对不对?
传入馅的热量,其作用就是使馅升温。传入的热流量,除以馅的总热容,就是馅的升温速度。也是皮内侧的升温速度。
至此,我做的每一步近似都只会压低皮内侧升温速度的。所以据此计算的升温时间是一个上限。对不对?
现在可以来具体算了。设皮内侧温度为T(t)。在dt时间内,传入外表面的热流等于
dQ1 = 导热系数 * 面积 * (95 - T) / 皮厚 * dt
= 0.4 * 37.5e-4 * (95 - T) / 0.001 * dt
= 1.5 (95 - T) * dt
设dt时间里馅和皮内侧的温度升高为dT,
这期间皮吸收的热量
dQ2 = 皮的面积 * 皮的厚度 * 皮的密度 * 皮的热容 * dT = 37.5 * 0.1 * 1.05 * 3 * dT = 12 dT
则流出内表面的热量为
dQ3 = dQ1 - dQ2 = 1.5*(95-T) * dt - 12dT
而流出内表面的热量用于加热馅
dQ3 = 馅质量 * 馅热容 * dT = 15 * 4 * dT = 60 dT
由上面两式,得
1.5 * (95 - T) * dt = 72dT
这仍是一个简单的微分方程。其解为
t = 48 * ln[(95-t1)/(95-t2)]
= 48 * ln[(95-25)/(95-75)] = 60秒
所以,我说皮内侧温度升到75度的时间一定少于60秒。有问题吗?
其实,这就是我刚才说的“分1/5热量给皮”的展开说明。还觉得是“乱算一气”吗?