吸波材料辅助多孔物料微波冷冻干燥多物理场分析

摘要

在各种干燥方法中，冷冻干燥产品质量最高。因此，冷冻干燥广泛应用于食品、医药等领域中，是一种不可替代的干燥方法。然而，干燥时间长、能耗大的问题制约了冷冻干燥的应用。冷冻干燥是热质耦合传递过程，单一强化传热或者传质其中一个因素，另一个必然会成为过程速率的控制因素。为了缩短干燥时间和提高能量利用率，本文提出：吸波材料辅助微波加热的非饱和多孔物料冷冻干燥。即用吸波材料辅助微波加热强化传热，用预制好的初始非饱和物料强化传质，实现传热传质同时强化。 本文在理论和实验上探究了微波对传统冷冻干燥过程的强化作用和吸波材料辅助强化的可行性。在理论方面，建立了多孔介质温度、浓度和电磁场耦合的多相传递模型，并且在基于有限元法的COMSOL Multiphysics中实现了数值求解。在实验方面，以甘露醇水溶液为待干料液进行了微波冷冻干燥实验，并测定了甘露醇固体的介电特性。吸波材料选择烧结的碳化硅(SiC)。模拟和实验结果均表明，吸波材料辅助微波加热能够有效强化液体物料的冷冻干燥过程。初始非饱和样品微波冷冻干燥时间比传统冷冻干燥缩短了18%，比常规饱和样品传统冷冻干燥缩短了30%。模拟结果与实验数据吻合良好。这表明，本文提出的新型干燥方法确实能够实现过程传热传质的同时强化。 通过考察样品内部温度、饱和度和电场强度的实时分布，分析了微波冷冻干燥过程的传热传质和电磁波传播与耗散机理。不同于传统冷冻干燥过程，微波冷冻干燥结束时样品组件的平均温度显著高于环境温度，“冰冻核心”位于样品上部。样品内部电场分布与温度以及饱和度的分布密切相关。电磁波穿过样品时，强度会减弱，一部分电磁能转化成热能。在微波冷冻干燥过程中，初始非饱和样品累计吸收的辐射能和微波能的总和与传统冷冻干燥相当。这说明，该干燥方法只是提高了能量效率，从而显著缩短了冷冻干燥时间，大幅提高了冻干过程的经济性。 最后，本文对微波冷冻干燥的影响因素进行了探讨。提高微波功率和提高操作温度都可以加快干燥过程，但过高的微波功率和操作温度会使样品烧焦甚至过热熔化。因此，要谨慎确定适宜的微波功率和操作温度。样品位置影响其对微波的吸收，确定最佳的样品位置对提高微波利用率具有重要作用。初始非饱和物料和微波的强化作用与物料几何形状有关。因此，必须合理确定待干样品的直径与填充厚度。物料的介电损耗因子极大地影响着微波冷冻干燥过程。在电场强度一定时，损耗因子越大，吸收的微波能越多。对于损耗因子很大的物料，无需吸波材料辅助；对于损耗因子较小的物料，因其电磁能转换成热能的耗散功率较小，利用吸波材料底盘强化传热非常必要。

目录

引言

1 文献综述

1.1 真空冷冻干燥概述

1.1.1 冷冻干燥的原理与基本过程

1.1.2 冷冻干燥的特点及应用

1.1.3 冷冻干燥的研究进展

1.2 微波干燥概述

1.2.1 微波与介质的相互作用

1.2.2 微波干燥的原理、特点

1.2.3 微波干燥的应用与发展趋势

1.3 微波冷冻干燥概述

1.3.1 微波冷冻干燥的原理、特点及应用

1.3.2 微波冷冻干燥面临的挑战

1.3.3 微波冷冻干燥数学模型及其发展趋势

1.4 多孔介质概述

1.4.1 多孔介质的基本参数

1.4.2 多孔介质的内部质热传递

1.4.3 多孔介质的吸附特性

1.4.3 多孔介质的介电特性

1.5 本课题的研究内容

2 多孔介质多相传递模型

2.1 问题描述

2.2 控制方程

2.2.1 质热耦合传递方程

2.2.2 波动方程

2.3 初始条件与边界条件

2.4 本章小结

3 实验部分

3.1 冷冻干燥实验装置与仪器

3.2 冷冻样品制备与冷冻干燥实验

3.3 冷冻干燥实验结果与讨论

3.4 实验材料介电特性测量

3.5 本章小结

4 数值模拟

4.1 吸附-解吸平衡关系建立

4.2 参数设定

4.2.1 渗透率

4.2.2 扩散系数

4.2.3 其他参数

4.3 COMSOL数值实现

4.4 本章小结

5 微波冷冻干燥的多物理场分析

5.1 模拟与实验结果比较

5.2 典型操作条件下初始非饱和物料的热、质耦合传递

5.3 典型操作条件下初始非饱和物料内部电磁波传播与耗散

5.4 典型操作条件下两种物料组件吸收的辐射能和微波能

5.5 本章小结

6 微波冷冻干燥的影响因素探讨

6.1 操作条件的影响

6.1.1 微波功率对微波冷冻干燥的影响

6.1.2 干燥腔辐射温度对微波冷冻干燥的影响

6.1.3 物料位置对微波冷冻干燥的影响

6.2 物料几何形状与初始饱和度的影响

6.3 物料介电特性的影响

6.4 本章小结

结论

参考文献

附录A 符号说明

附录B 波动方程推导

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢