喷雾冷冻干燥(SFD)颗粒冻结过程的数值模拟

摘要

液滴冻结过程往往决定着干燥产品的微结构。论文从不同角度研究了喷雾冷冻单液滴冻结过程，首先利用数值计算的方法研究了液滴大小、气体流速和环境温度三个参数对其冻结过程的影响，并对冻结颗粒在流场内的滞留时间以及“消失”时冻结状态进行了分析。通过单液滴与板面的碰撞实验，较深入地了解了液滴与壁面的碰撞情况。
　　数值计算结果发现液滴越大冻结时所需的形核时间和完全固化时间越长，而且冻结过程随着气体流速的增大和环境温度的降低而缩短。通过方差分析发现液滴大小较气体流速和环境温度对液滴完全固化时间的影响有较显著差异。液滴冷冻过程中，其质量损失率随着液滴大小的增大而略有减小，随着气体流速的增加及环境温度的降低而减小，其中环境温度对液滴质量损失率的影响最大。
　　在喷雾冷冻过程中必须考虑雾化的液滴与壁面碰撞而引发的粘壁问题。为了准确地分析喷雾冷冻流场的壁面边界条件，以单液滴撞击低温表面为研究对象，利用实验方法研究了不同韦伯数的液滴在冷板面上铺展、收缩震荡及冻结过程，用高速摄像的方法得到了不同液滴大小、不同撞击速度、不同的板面温度对铺展直径和完全凝固时间的影响。
　　研究发现，在喷雾室内粒径小的颗粒更容易受到气流的影响而长时间随着回流气体在塔室内漂流，而粒径大的颗粒更容易在流场内“消失”;通过对颗粒冻结状态分析发现粒径大颗粒达到完全冻结状态需要的时间长，导致这部分颗粒在“消失”时并未达到冻结状态，这一结果为工程应用中塔室的设计提供了参考。