多孔物料真空冷冻干燥过程热力学分析

摘要

真空冷冻干燥（冻干）技术具有的突出优点使其在食品、医药和生物化工等领域得到了广泛应用。物料真空冷冻干燥系统中存在热湿交叉过程和水相态变化过程，然而，针对热湿交叉过程中湿分从低含湿量向高含湿量、热量从低温向高温传递的“逆迁移现象”和水相态变化过程中传热、传质过程之间的能量转换，目前物料干燥研究中却未给出合理解释。本论文采用广义场协同机制和热力学耦合机制分析真空冷冻干燥过程，揭示其中蕴含的热力学机制。 首先，分析了多孔物料的真空冷冻干燥工艺，其包含前处理、真空冷冻干燥和后处理三个阶段，影响因素主要包含物料预处理和物料干燥环境两大类。而对多孔物料核心干燥阶段（预冻、升华干燥和解析干燥阶段）的热力学分析表明，物料干燥的本质是水的相变，水分相态变化包括传热和传质过程，且两者之间存在热湿交叉效应。 其次，从研究低温低压下多孔性物料内传热和传质过程出发，真空冷冻干燥过程中的热湿交叉效应对传热、传质过程均具有促进作用，且传热与传质过程之间相互促进、相互增强，符合广义场协同机制。建立了考虑物料多孔性和热湿交叉效应的真空冷冻干燥各阶段传热传质模型，并基于模型讨论了干燥过程中物料内温度和水分变化情况，物料整体温度快速下降后慢慢上升至干燥环境温度，而水分含量快速下降后继续经历长时间的缓慢下降过程。 然后，对水相态变化过程的热力学耦合分析表明：水相变放热的自发传热过程驱动了化学势升高的非自发传质过程，水相变吸热过程中化学势降低的自发传质过程驱动了非自发的传热过程。基于广义Carnot定理分析了水相态变化过程中的能量变化，其包含传热过程和传热过程以外的广义做功过程。水蒸气液化成水、液态水凝结成冰（霜）和水蒸气凝华成冰（霜）蕴含了自发传热过程驱动非自发广义做功过程的特点，即符合广义Carnot热机模型；而冰（霜）融化成水、液态水汽化成水蒸气和冰（霜）升华成水蒸气蕴含了自发广义做功过程驱动非自发传热过程的特点，即符合广义Carnot热泵模型。 最后，基于广义Carnot热机模型分析了捕水器冷表面结霜过程，相变过程中正熵产率的传热过程驱动了负熵产率的广义做功过程，并且得到影响结霜的主要因素为温差和换热强度。基于广义Carnot热泵模型分析了冰晶升华过程，相变过程中正熵产率的广义做功过程驱动了负熵产率的传热过程，而且影响冰晶升华的关键是广义做功过程。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 真空冷冻干燥技术

1.2 真空冷冻干燥技术研究背景及意义

1.3 国内外真空冷冻干燥技术研究现状

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4 热力学耦合机制与真空冷冻干燥过程分析

1.5 本论文创新点

1.6 本论文研究内容

第2章 物料真空冷冻干燥工艺基础

2.1 自制多孔物料

2.2 水相态变化及相变过程

2.2.1 相变过程

2.2.2 传热分析

2.2.3 传质分析

2.3 物料真空冷冻干燥原理

2.4 物料真空冷冻干燥工艺

2.4.1 前处理

2.4.2 真空冷冻干燥

2.4.3 后处理

2.5 真空冷冻干燥工艺的影响因素

2.5.1 物料的预处理

2.5.2 物料的干燥环境

2.6 本章小结

第3章 物料真空冷冻干燥过程分析

3.1 热力学耦合机制

3.2 预冻阶段的热力学分析

3.2.1 物料降温过程

3.2.2 液-固相变过程

3.3 升华干燥阶段的热力学分析

3.3.1 物料升温过程

3.3.2 固-气相变过程

3.3.3 水蒸气流动过程

3.4 解析干燥阶段热力学分析

3.4.1 物料升温过程

3.4.2 液-气相变过程

3.4.3 水蒸气流动过程

3.5 本章小结

第4章 物料真空冷冻干燥过程模型建立

4.1 多孔性物料传热传质过程

4.1.1 物料多孔性对传热传质过程的影响

4.1.2 多孔性物料中传质过程

4.1.3 多孔性物料中传热过程

4.2 物料冻干过程热湿交叉分析

4.2.1 广义场协同机制

4.2.2 传热、传质过程的自发性判断

4.2.3 传热与传质过程的广义场协同分析

4.3 物料真空冷冻干燥过程理论模型的建立

4.3.1 预冻阶段

4.3.2 升华干燥阶段

4.3.3 解析干燥阶段

4.4 本章小结

第5章 基于多孔介质模型的物料热湿变化分析

5.1 理论分析

5.2 数值求解

5.2.1 求解区域离散化

5.2.2 传热方程离散化

5.2.3 传质方程离散化

5.2.4 边界条件离散化

5.2.5 编程求解

5.3 求解结果与分析

5.3.1 升华干燥阶段

5.3.2 解析干燥阶段

5.4 本章小结

第6章 物料真空冷冻干燥过程中水相变研究

6.1 广义Carnot定理

6.2 水相变的热力学耦合分析

6.2.1 水相变放热过程

6.2.2 水相变吸热过程

6.3 基于水相变过程的广义Carnot定理应用

6.3.1 基于水蒸气凝华过程的广义热机模型应用

6.3.2 基于冰晶升华过程的广义热泵模型应用

6.4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录