降压对过冷水及水溶液结冰现象影响的研究

发布时间：2017-08-23 04:25

  本文关键词：降压对过冷水及水溶液结冰现象影响的研究

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【摘要】：真空冷冻干燥技术,由于本身存在的独特优点使其在制药工业、食品工业、化学工程等领域得到广泛应用。控制冻干过程预冻阶段的过冷度对冷冻干燥制品品质的均一性以及后期升华干燥速率有着重要影响。目前,降压诱发过冷溶液成核作为一种过冷度控制技术,其基础研究缺乏。针对这一现状,本文开展了降压诱发过冷水及水溶液成核的理论分析与实验研究,主要进行了以下工作：1)采用COMSOL软件建立小瓶内过冷水降压冷却过程的物理模型,并进行了数值模拟,研究在不同预冷温度、降压速率、终压及终压持续时间下水体平均温度及温度分布随时间的变化。计算发现：在5～20kPa/s范围内降压速率对水体温度影响不大；在100-400Pa范围内终压越低水体平均温度及最低温度越低；在水体预冷-5～-7℃、终压100-400Pa范围内,随着压力的下降,过冷度越低,水体平均温度及最低温度下降越快；在终压持续200-400s范围内,终压持续时间越长水体平均温度及最低温度越低。2)建立了过冷降压实验装置,实验研究了常压下小瓶内过冷水的结冰现象,在此基础上考察了不同降压速率、终压对小瓶内过冷水结冰现象的影响。实验发现：过快的降压(≥40kPa/s)可能会导致喷瓶现象；在5～17.5kPa/s范围内降压速率对样品成核影温度影响不大；较低的终压可以使样品在较高的平均温度下解除过冷。实验观察到的降压速率和终压对过冷水结冰的影响与理论预测较为一致。3)实验初步研究了降压速率、终压对小瓶内蔗糖溶液结冰现象的影响。在溶液过冷至-4℃、降压速率17.5kPa/s、终压340Pa条件下,样品结冰现象存在两种情况,一种是样品在10min内同时结冰,另一种在降压开始后,各样品会在不同时间点结冰,大多数样品结冰经历的时间较长(大于1Omin)。
【关键词】：冷冻干燥 预冷 过冷度 成核 降压
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB4
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 主要符号表8-14
• 第1章 绪论14-24
• 1.1 冷冻干燥技术14-15
• 1.2 预冻阶段对后期干燥过程的影响15-22
• 1.2.1 预冻过程15-17
• 1.2.2 小瓶内溶液成核温度的影响因素17-18
• 1.2.3 常规控制过冷度的预冻方法18-22
• 1.3 本文研究内容和意义22-24
• 1.3.1 研究意义22
• 1.3.2 研究内容22-24
• 第2章 过冷水降压结冰过程的理论分析24-36
• 2.1 几何模型的建立24-25
• 2.2 假设条件25-26
• 2.3 传热模型26-27
• 2.4 传质模型27-29
• 2.5 模型计算结果分析29-36
• 2.5.1 过冷度的影响30-31
• 2.5.2 降压速率的影响31-32
• 2.5.3 终压的影响32-33
• 2.5.4 过冷度、终压影响力的比较33-34
• 2.5.5 终压持续时间的影响34-36
• 第3章 过冷水及蔗糖溶液降压结冰过程实验研究36-65
• 3.1 实验装置36-40
• 3.1.1 样本容器和恒温浴37-38
• 3.1.2 温度压力测量和数据采集38-39
• 3.1.3 真空系统39-40
• 3.1.4 冷阱40
• 3.2 材料准备40-41
• 3.3 实验方案41-44
• 3.3.1 操作步骤41-42
• 3.3.2 温度与压力的调节42-44
• 3.4 过冷水降压实验结果与分析44-54
• 3.4.1 常压下水的解除过冷温度分布44-46
• 3.4.2 水预冷温度的确定46-47
• 3.4.3 初步过冷降压实验47-48
• 3.4.4 降压速率对水结冰现象的影响48-51
• 3.4.5 终压对水结冰现象的影响51-54
• 3.5 实验结果与理论计算结果的对比分析54-60
• 3.5.1 小瓶内水体垂直和径向温度分布55-59
• 3.5.2 相同实验条件下不同组的小瓶温度分布59
• 3.5.3 终压对小瓶内水体温度分布的影响59-60
• 3.6 10%(w/w)蔗糖溶液的实验结果与分析60-65
• 3.6.1 蔗糖溶液预冷温度的确定60-61
• 3.6.2 终压对蔗糖溶液结冰过程的影响61-65
• 第4章 结论与展望65-67
• 4.1 结论65
• 4.2 展望65-67
• 参考文献67-72
• 攻读硕士期间科研成果及所获奖励72

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