微波冷冻干燥中的热电耦合和控制策略优化

摘要

冷冻干燥技术可以得到很高的干燥品质，但是存在着诸如干燥速率低、干燥时间长、干燥过程能耗高等缺点。在冷冻干燥中采用微波加热作为热源，则在得到很高干燥品质的同时，可以提高干燥速率，降低能耗，减少干燥时间。但是目前微波冷冻干燥仍面临着微波加热不均匀，工艺优化与控制较为困难，加热过程中会发生电离以及经济上是否有利等问题，有待进一步研究。在微波冷冻干燥中场强分布是不均匀的，而且场强分布与传热传质是耦合的。微波冷冻干燥中的这种热电耦合不仅会引起冰融、热失控等问题，而且给干燥过程的优化和控制带来了困难。但是在此前的研究中，尚未涉及这一重要问题。 本文针对常见的层状物料，建立了微波冷冻干燥过程的一维热电耦合模型。模型中将整个加热腔看作四层的分层介质：上真空层、干层、冻层以及下真空层。这样微波场强分布就可以采用反射系数法进行描述。模型的热质传递基本采用Wang和Shi所建立的非饱和介质微波冷冻干燥中的升华—冷凝理论。本文采用变时间步长的有限差分法来求解这一模型。通过将数值模拟的结果与文献中的数据以及实验数据相比较，验证了本文中提出的一维热电耦合模型的有效性。在此模型基础上，重点讨论了干燥过程中的场强分布变化和加热不均匀性对干燥过程的影响。 对于瓶装物料，由于必须考虑径向热质传递，因此必须建立两维模型。本文针对圆柱形微波加热腔最常用的几个低次模：TM010模和TE011模对场强分布进行计算，热质传递部分仍采用Wang和Shi所建立的升华—冷凝理论，从而建立了针对瓶装物料的二维微波冷冻干燥数学模型。在所建立二维模型的基础上对干燥过程中的温度分布和水分含量分布进行了分析和讨论。 在课题组原有的LG-5实验用冷冻干燥机基础上，采用麦可富微波设备有限公司制造的FWSJ2-A型微波加热设备，建立了微波冷冻干燥实验台。在此实验台上，采用牛肉作为物料进行了多次微波冷冻干燥实验。温度采用外包铝箔进行微波屏蔽的热电偶进行测量；实验前后和实验过程中的重量分别采用电子天平和压电式重量传感器进行测量；实验过程中没有过热等现象发生，得到了很好的干燥效果。 许多食品物料的微波吸收系数随着温度的升高而增大。因此如果某个部位被集中加热时，此处就会因为吸收率增大与温度升高相互作用而导致温度无限制的上升，这一现象就称为热失速，也称为热斑、热失控。这是微波冷冻干燥中的一个重要问题。本文以皮亚诺定理为基础，提出了一种半理论方法对微波冷冻干燥升华阶段的热失速现象进行控制。该方法比纯理论方法有着更广泛的适用性，同时数值模拟结果表明这一方法可获得理想的控制效果。 控制策略优化是微波冷冻干燥中的一个重要问题。本文采用直接搜索法对不均匀微波场强分布时的控制策略优化进行了数值研究。结果表明冻区集中加热会导致开始阶段干燥过程减慢，而干区集中加热会导致干燥后期的干燥速率减慢。总的来说，如果集中加热的部分位于冻区内，那么对干燥过程的进行是有利的。与之相反，如果集中加热的位置位于干区里面，则对微波冷冻干燥过程的进行是最不利的。 尽管微波冷冻干燥技术有着干燥速度快、加热效率高、设备利用率高以及干燥品质好等优点，但是也存在着微波冷冻干燥设备复杂，工艺优化及控制比较困难以及设备初投资大等缺点。因而这一技术能否得到推广应用取决于采用这一技术在经济上是否有利。本文采取年度总成本作为经济指标，对常规加热冷冻干燥和微波冻干的经济性进行了分析，结果表明采用微波冻干技术与常规加热冻干技术比较具有一定的优势，在经济上是可行的。

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文摘

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第一章前言

第二章微波冷冻干燥的一维热电耦合模型

第三章微波冷冻干燥的二维数值模拟

第四章牛肉的微波冷冻干燥实验

第五章微波冷冻干燥中的热失控及其控制

第六章微波冷冻干燥过程的控制策略优化

第七章微波冷冻干燥的经济性分析

第八章总结与展望

参考文献

致谢

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