在各種干燥方法中,冷凍干燥產(chǎn)品質(zhì)量最高。因此,冷凍干燥廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域中,是一種不可替代的干燥方法。然而,干燥時(shí)間長、能耗大的問題制約了冷凍干燥的應(yīng)用。冷凍干燥是熱質(zhì)耦合傳遞過程,單一強(qiáng)化傳熱或者傳質(zhì)其中一個(gè)因素,另一個(gè)必然會(huì)成為過程速率的控制因素。為了縮短干燥時(shí)間和提高能量利用率,本文提出:吸波材料輔助微波加熱的非飽和多孔物料冷凍干燥。即用吸波材料輔助微波加熱強(qiáng)化傳熱,用預(yù)制好的初始非飽和物料強(qiáng)化傳質(zhì),實(shí)現(xiàn)傳熱傳質(zhì)同時(shí)強(qiáng)化。本文在理論和實(shí)驗(yàn)上探究了微波對(duì)傳統(tǒng)冷凍干燥過程的強(qiáng)化作用和吸波材料輔助強(qiáng)化的可行性。在理論方面,建立了多孔介質(zhì)溫度、濃度和電磁場耦合的多相傳遞模型,并且在基于有限元法的COMSOL Multiphysics中實(shí)現(xiàn)了數(shù)值求解。在實(shí)驗(yàn)方面,以甘露醇水溶液為待干料液進(jìn)行了微波冷凍干燥實(shí)驗(yàn),并測定了甘露醇固體的介電特性。吸波材料選擇燒結(jié)的碳化硅(SiC)。模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明,吸波材料輔助微波加熱能夠有效強(qiáng)化液體物料的冷凍干燥過程。初始非飽和樣品微波冷凍干燥時(shí)間比傳統(tǒng)冷凍干燥縮短了18%,比常規(guī)飽和樣品傳統(tǒng)冷凍干燥縮短了30%。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。這表明,本文提出的新型干燥方法確實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)過程傳熱傳質(zhì)的同時(shí)強(qiáng)化。通過考察樣品內(nèi)部溫度、飽和度和電場強(qiáng)度的實(shí)時(shí)分布,分析了微波冷凍干燥過程的傳熱傳質(zhì)和電磁波傳播與耗散機(jī)理。不同于傳統(tǒng)冷凍干燥過程,微波冷凍干燥結(jié)束時(shí)樣品組件的平均溫度顯著高于環(huán)境溫度,“冰凍核心”位于樣品上部。樣品內(nèi)部電場分布與溫度以及飽和度的分布密切相關(guān)。電磁波穿過樣品時(shí),強(qiáng)度會(huì)減弱,一部分電磁能轉(zhuǎn)化成熱能。在微波冷凍干燥過程中,初始非飽和樣品累計(jì)吸收的輻射能和微波能的總和與傳統(tǒng)冷凍干燥相當(dāng)。這說明,該干燥方法只是提高了能量效率,從而顯著縮短了冷凍干燥時(shí)間,大幅提高了凍干過程的經(jīng)濟(jì)性。最后,本文對(duì)微波冷凍干燥的影響因素進(jìn)行了探討。提高微波功率和提高操作溫度都可以加快干燥過程,但過高的微波功率和操作溫度會(huì)使樣品燒焦甚至過熱熔化。因此,要謹(jǐn)慎確定適宜的微波功率和操作溫度。樣品位置影響其對(duì)微波的吸收,確定最佳的樣品位置對(duì)提高微波利用率具有重要作用。初始非飽和物料和微波的強(qiáng)化作用與物料幾何形狀有關(guān)。因此,必須合理確定待干樣品的直徑與填充厚度。物料的介電損耗因子極大地影響著微波冷凍干燥過程。在電場強(qiáng)度一定時(shí),損耗因子越大,吸收的微波能越多。對(duì)于損耗因子很大的物料,無需吸波材料輔助;對(duì)于損耗因子較小的物料,因其電磁能轉(zhuǎn)換成熱能的耗散功率較小,利用吸波材料底盤強(qiáng)化傳熱非常必要。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TQ028.63;TB34
【文章目錄】：
摘要
Abstract
引言
1 文獻(xiàn)綜述
    1.1 真空冷凍干燥概述
        1.1.1 冷凍干燥的原理與基本過程
        1.1.2 冷凍干燥的特點(diǎn)及應(yīng)用
        1.1.3 冷凍干燥的研究進(jìn)展
    1.2 微波干燥概述
        1.2.1 微波與介質(zhì)的相互作用
        1.2.2 微波干燥的原理、特點(diǎn)
        1.2.3 微波干燥的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)
    1.3 微波冷凍干燥概述
        1.3.1 微波冷凍干燥的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用
        1.3.2 微波冷凍干燥面臨的挑戰(zhàn)
        1.3.3 微波冷凍干燥數(shù)學(xué)模型及其發(fā)展趨勢(shì)
    1.4 多孔介質(zhì)概述
        1.4.1 多孔介質(zhì)的基本參數(shù)
        1.4.2 多孔介質(zhì)的內(nèi)部質(zhì)熱傳遞
        1.4.3 多孔介質(zhì)的吸附特性
        1.4.4 多孔介質(zhì)的介電特性
    1.5 本課題的研究內(nèi)容
2 多孔介質(zhì)多相傳遞模型
    2.1 問題描述
    2.2 控制方程
        2.2.1 質(zhì)熱耦合傳遞方程
        2.2.2 波動(dòng)方程
    2.3 初始條件與邊界條件
    2.4 本章小結(jié)
3 實(shí)驗(yàn)部分
    3.1 冷凍干燥實(shí)驗(yàn)裝置與儀器
    3.2 冷凍樣品制備與冷凍干燥實(shí)驗(yàn)
    3.3 冷凍干燥實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
    3.4 實(shí)驗(yàn)材料介電特性測量
    3.5 本章小結(jié)
4 數(shù)值模擬
    4.1 吸附-解吸平衡關(guān)系建立
    4.2 參數(shù)設(shè)定
        4.2.1 滲透率
        4.2.2 擴(kuò)散系數(shù)
        4.2.3 其他參數(shù)
    4.3 COMSOL數(shù)值實(shí)現(xiàn)
    4.4 本章小結(jié)
5 微波冷凍干燥的多物理場分析
    5.1 模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較
    5.2 典型操作條件下初始非飽和物料的熱、質(zhì)耦合傳遞
    5.3 典型操作條件下初始非飽和物料內(nèi)部電磁波傳播與耗散
    5.4 典型操作條件下兩種物料組件吸收的輻射能和微波能
    5.5 本章小結(jié)
6 微波冷凍干燥的影響因素探討
    6.1 操作條件的影響
        6.1.1 微波功率對(duì)微波冷凍干燥的影響
        6.1.2 干燥腔輻射溫度對(duì)微波冷凍干燥的影響
        6.1.3 物料位置對(duì)微波冷凍干燥的影響
    6.2 物料幾何形狀與初始飽和度的影響
    6.3 物料介電特性的影響
    6.4 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
附錄A 符號(hào)說明
附錄B 波動(dòng)方程推導(dǎo)
攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況
致謝

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