超声波对纤维多孔介质内热湿迁移过程的影响研究

发布时间：2020-07-09 08:21

【摘要】：纤维多孔介质内的热湿传输过程广泛存在于纺织、军事、医药、生物、建筑等应用领域。目前,国内外针对纤维多孔介质湿分传输强化的研究主要通过机械旋转和加温干燥,但是这些强化技术普遍存在湿分脱除效率不高、对物料结构损伤较大和能耗消耗较高的问题。因此,研究纤维多孔介质对流干燥过程的热湿迁移机理,寻求更加有效的强化方法具有重要的理论意义和实用价值。近年来,超声波技术能够强化多孔介质中的热湿迁移过程已被很多实验证实,并在食品干燥、污水处理、除湿剂再生等领域显示出重要的应用前景,但是超声波对纤维多孔介质内热湿传输的影响鲜少涉及。因此,本文尝试将超声波技术应用于纤维多孔介质内的热湿传输过程,系统的研究了超声波在纤维多孔介质内的传播对微观结构和热湿传输过程的影响。本论文的主要研究内容及结论如下:(1)开展了纤维多孔介质对流干燥试验和模拟研究,通过试验测定了不同干燥介质参数和物性参数下的干燥曲线,并数值模拟了不同干燥阶段的纤维多孔介质内部速度、温度及湿度场分布,便于后续与超声波辅助干燥研究进行对比分析,结果表明:纤维多孔介质的干基含湿率降低至0.5时,干燥过程从恒速干燥阶段进入降速干燥阶段;在由外部阻力控制的恒速干燥阶段,边界层理论可以较好的描述该过程,改变干燥介质参数可以显著提高其湿分传输速率;在降速干燥阶段,干燥过程由扩散过程主导,且不同时刻,不同高度处的速度场、温度场的分布可以较好的解释湿度场的变化趋势。(2)明确了超声波场的基本物理量和作用机制,然后进行了超声波在多孔介质中传播的研究:基于Helmholtz方程求解了超声波在多孔介质中传播产生的声压分布,然后基于Biot理论建立了超声波在多孔介质中的传播模型,求解了频率和声强对多孔介质形变的影响规律:频率主要影响形变的分布趋势,声强则决定多孔介质内的声压和形变大小,且声强越大,多孔介质内的声压越大,形变越显著,但是由于超声波传播引起的形变远小于其本身尺寸。(3)设计并搭建了超声超声波辅助纤维多孔介质对流干燥试验台,试验测定了不同超声波频率、功率工况下纤维多孔介质对流干燥过程的干燥曲线,同时对不同干燥介质参数和物性参数对超声波作用效果的影响进行了探究,并建立了超声波辅助纤维多孔介质对流干燥热湿耦合迁移过程的数学模型,结果表明:超声波辅助纤维多孔介质常温风对流干燥时,部分湿分直接以液相的形式被直接脱除,从而整个过程呈现降速干燥;随着频率增加,对超声波的吸收系数增大,但是传播过程的衰减也增大,因此超声波对湿分传输的强化作用无明显变化;随着功率增大,超声波对湿分传输的强化作用呈现非线性增强,湿分有效扩散系数增大;当试验工况不利于干燥过程的进行时,例如降低干燥介质的流动速度、温度,增大干燥介质的相对湿度、物料厚度及初始含湿量,超声波的作用效果被强化;采用响应面法优化了试验参数,在设定工况范围内,超声波参数为20kHz、179W,干燥介质参数为5.73m/s、24.43℃、51.8%RH,物料参数为3kg _(water)/kg _(dry solids)、0.54cm时,超声波辅助纤维多孔介质对流干燥的试验可达到最佳运行工况;在干燥过程中,同一时刻,沿着湿分传输方向,温度逐渐升高,液相的传输速率逐渐增大,含湿量逐渐降低且湿分的变化速率增大;同一高度位置处,随着干燥过程的进行,温度逐渐升高,液相传输速率减小,含湿量逐渐降低且湿分的变化速率减小。(4)对超声波处理后的纤维多孔介质的微观孔隙结构进行显微观察并进行统计分析和分形描述,然后研究分析了孔隙结构变化对传质特性的影响:纤维多孔介质的平均孔径尺寸、最大分布率尺寸、孔隙率、表面分形维数随着超声波功率的增大和预处理时间的增长呈现非线性的增大;当630W的超声波功率预处理40min之后,孔隙结构变化近似达到最大幅度;孔隙结构变化导致了传质速率的提高,经630W的功率预处理30min之后的样品,干基含湿率从3降低至0.5所需耗时从690min减少至504min,湿分有效扩散系数从7.2265×10~(-9)m~2/min增大到9.04×10~(-9)m~2/min。本文工作较为系统地研究了超声波辅助常温风对流干燥纤维多孔介质的过程,分析了超声波在多孔介质中的传播机理,探索了超声波对纤维多孔介质微观结构及传质速率的影响,为发展超声波强化纤维多孔介质内部热质传输技术提供了理论支撑和技术支持。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB559;TQ340.1;TB383.4
【图文】：

开孔泡沫,梯度材料,纤维层,多孔结构

的高温防火服、装甲部队的防护服和飞行服；粘胶基碳纤维用于导弹的耐热；聚乳酸纤维用于制作纸张塑膜、生活垃圾袋；甲壳素纤维由于其消炎止痒、保湿防燥等功能用于制作医用纺织品；防渗裂纤维可以增强混凝土的强度和防渗性能而被普遍应用于建筑领域。在以上纤维构成的多孔材料中，传热传质过程普遍存在于其应用过程中，因此，研究纤维多孔介质的传热传质机理及其应用非常重要，对科学发展和技术进步具有重大意义和深远影响，对该过程进行强化研究，提高纤维多孔介质的干燥速率是当前工程热物理学科面临的重大科学问题。由于多孔介质如图 1-1 所示的复杂结构，使得其内部能量和物质传输问题非常复杂，很难对其传递机制进行精确的理论描述并提出提高过程传输效率的有效途径。以多孔物料的热风干燥、微波干燥以及真空冷冻干燥技术为典型代表，长期以来人们发展了一系列主动或被动强化传质技术以强化多孔介质内物质传递速度，提高相关生产工艺效率。随着电磁场、超声场、以及微波等外场技术的不断发展，人们开始将外场辅助技术与传质过程相结合，试图利用各种外场所特有的力学效应、电化学效应和热效应来强化多孔介质内质量传递过程。

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重影响人们的居住舒适度，而且干燥速度过慢不能满足现代社会。离心旋转和加温是目前衣物加速脱水常用的方法。离心旋转脱内，通过脱水桶高速旋转产生较大的离心力，水分在离心力的作甩出桶外流出，从而达到脱水的目的。此方法具有脱水速度快水率仅可达到 55%从而脱水不完全，而且脱水过程中衣物极易损。燥主要包括热风干燥和微波干燥。热风干燥是一种外部加热干的能源可以分为电加热式、PTC 加热式和热泵型，主要依靠内部机体内的外界空气，同时依靠电机带动滚筒或叶轮转动，使加热增湿后经过滤排出机外[15]，如图 1-2 所示为热泵型干衣机系统度高，一般在 60℃以上，使用范围受限，同时能耗较高，以英约占工业耗能的 5.5%。为改善能耗问题，一种在干燥装置中以间作为控制终端的技术被提出以避免过度脱水[16]。为缓解能源机体内空气的装置也得到了研发，但是这种技术受天气制约较

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图 1-3 微波型干衣机系统流程图述，目前广泛应用的强化纤维传热传质的技术在工程应用的过程、工作条件不利于纤维性质的维持等缺点，因此，迫切需要寻求有利于作用对象性质保留的新的快速强化传热传质的新技术。介质传热传质机理研究进展质传热传质现象广泛存在于人类工农业生产和自然界中，探索多的影响机理在提高物料干燥效率、分析土壤热湿环境、开发节能领域问题上都具有重要的意义[20]。近一个世纪以来，国内外的研理论、蒸汽扩散理论、毛细流动理论和蒸发凝结理论等理论模热湿迁移过程[21]。研究方面: Huang[22]对温度梯度作用下的多孔介质内水分输运过介质内部各组分的质量守恒方程。Nasrallah 和 Perre[23]以体积平介质对流干燥时热质传递过程进行了模拟分析，应用 Darcy 定律

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