多孔物料真空冷冻干燥过程热力学分析

发布时间：2021-03-09 23:43

　　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... 

【文章来源】：兰州理工大学甘肃省

【文章页数】：89 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

物料的降温过程

工程硕士学位论文同，根据共轭广义力与广义流之间的相位描述[102]，可以判断出物料降温过程是一产率大于零的自发过程，同时符合孤立系统的熵增原理。.2.2 液-固相变过程当物料中自由水的温度降到饱和蒸气压对应下的温度时，开始发生液-固相变，过程中，液态水放出潜热凝固成冰晶，液态水与冰晶温度相等，直至相变结束后冰度才下降。持续给干燥室降温，使相变区域保持相变温度不变，直至自由水全部凝冰晶。（1）传热过程与传质过程的自发性判断取物料中自由水凝固的相变区域为孤立系统，液态水凝固过程中放出热量，即传程，所以传热过程的广义力为温度梯度，广义流为热流；此外，相变过程中还存在子形成的质量流流动，而传质过程是由两相间的化学势差所决定的，故可以得到传程的广义力为化学势梯度，广义流为质量流。

相（冰晶）的化学势高于气相（水蒸气）的化学势，得到传质过程的广义力为化学势度，广义流为水分子形成的质量流。由于化学势梯度的作用，水分质量从固相（冰晶一直流向气相（水蒸气），由图 3.4（b）可以看到，化学势梯度方向与质量流流动方一致，由于共扼广义力与广义流同相位为正熵产率的自发过程[102]，所以传质过程是个熵产率大于零的自发过程。（2）传热和传质过程之间的热力学耦合分析由上文分析可知，冰晶升华过程中，传热过程为熵产率小于零非自发过程，传质程为熵产率大于零的自发过程。在符合孤立系统熵增原理的前提下，正熵产率的热力过程可以驱动负熵产率的热力学过程，故冰晶升华过程中的传热与传质过程，按照热学耦合解释为：自发的传质过程驱动了非自发的传热过程，即在水分子形成的质量流发的从固相（冰晶）流向气相（水蒸气）的驱动下，发生了负熵产率的非自发传热过程3.3.3 水蒸气流动过程物料中原本被细小冰晶占据的孔隙，在冰晶升华成水蒸气逸出物料后，物料呈现图 3.4 冰晶升华的传热过程和传质过程


本文编号：3073679