發(fā)布時(shí)間：2020-07-09 08:21

【摘要】：纖維多孔介質(zhì)內(nèi)的熱濕傳輸過(guò)程廣泛存在于紡織、軍事、醫(yī)藥、生物、建筑等應(yīng)用領(lǐng)域。目前,國(guó)內(nèi)外針對(duì)纖維多孔介質(zhì)濕分傳輸強(qiáng)化的研究主要通過(guò)機(jī)械旋轉(zhuǎn)和加溫干燥,但是這些強(qiáng)化技術(shù)普遍存在濕分脫除效率不高、對(duì)物料結(jié)構(gòu)損傷較大和能耗消耗較高的問(wèn)題。因此,研究纖維多孔介質(zhì)對(duì)流干燥過(guò)程的熱濕遷移機(jī)理,尋求更加有效的強(qiáng)化方法具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。近年來(lái),超聲波技術(shù)能夠強(qiáng)化多孔介質(zhì)中的熱濕遷移過(guò)程已被很多實(shí)驗(yàn)證實(shí),并在食品干燥、污水處理、除濕劑再生等領(lǐng)域顯示出重要的應(yīng)用前景,但是超聲波對(duì)纖維多孔介質(zhì)內(nèi)熱濕傳輸?shù)挠绊戸r少涉及。因此,本文嘗試將超聲波技術(shù)應(yīng)用于纖維多孔介質(zhì)內(nèi)的熱濕傳輸過(guò)程,系統(tǒng)的研究了超聲波在纖維多孔介質(zhì)內(nèi)的傳播對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和熱濕傳輸過(guò)程的影響。本論文的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:(1)開(kāi)展了纖維多孔介質(zhì)對(duì)流干燥試驗(yàn)和模擬研究,通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定了不同干燥介質(zhì)參數(shù)和物性參數(shù)下的干燥曲線,并數(shù)值模擬了不同干燥階段的纖維多孔介質(zhì)內(nèi)部速度、溫度及濕度場(chǎng)分布,便于后續(xù)與超聲波輔助干燥研究進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明:纖維多孔介質(zhì)的干基含濕率降低至0.5時(shí),干燥過(guò)程從恒速干燥階段進(jìn)入降速干燥階段;在由外部阻力控制的恒速干燥階段,邊界層理論可以較好的描述該過(guò)程,改變干燥介質(zhì)參數(shù)可以顯著提高其濕分傳輸速率;在降速干燥階段,干燥過(guò)程由擴(kuò)散過(guò)程主導(dǎo),且不同時(shí)刻,不同高度處的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)的分布可以較好的解釋濕度場(chǎng)的變化趨勢(shì)。(2)明確了超聲波場(chǎng)的基本物理量和作用機(jī)制,然后進(jìn)行了超聲波在多孔介質(zhì)中傳播的研究:基于Helmholtz方程求解了超聲波在多孔介質(zhì)中傳播產(chǎn)生的聲壓分布,然后基于Biot理論建立了超聲波在多孔介質(zhì)中的傳播模型,求解了頻率和聲強(qiáng)對(duì)多孔介質(zhì)形變的影響規(guī)律:頻率主要影響形變的分布趨勢(shì),聲強(qiáng)則決定多孔介質(zhì)內(nèi)的聲壓和形變大小,且聲強(qiáng)越大,多孔介質(zhì)內(nèi)的聲壓越大,形變?cè)斤@著,但是由于超聲波傳播引起的形變遠(yuǎn)小于其本身尺寸。(3)設(shè)計(jì)并搭建了超聲超聲波輔助纖維多孔介質(zhì)對(duì)流干燥試驗(yàn)臺(tái),試驗(yàn)測(cè)定了不同超聲波頻率、功率工況下纖維多孔介質(zhì)對(duì)流干燥過(guò)程的干燥曲線,同時(shí)對(duì)不同干燥介質(zhì)參數(shù)和物性參數(shù)對(duì)超聲波作用效果的影響進(jìn)行了探究,并建立了超聲波輔助纖維多孔介質(zhì)對(duì)流干燥熱濕耦合遷移過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,結(jié)果表明:超聲波輔助纖維多孔介質(zhì)常溫風(fēng)對(duì)流干燥時(shí),部分濕分直接以液相的形式被直接脫除,從而整個(gè)過(guò)程呈現(xiàn)降速干燥;隨著頻率增加,對(duì)超聲波的吸收系數(shù)增大,但是傳播過(guò)程的衰減也增大,因此超聲波對(duì)濕分傳輸?shù)膹?qiáng)化作用無(wú)明顯變化;隨著功率增大,超聲波對(duì)濕分傳輸?shù)膹?qiáng)化作用呈現(xiàn)非線性增強(qiáng),濕分有效擴(kuò)散系數(shù)增大;當(dāng)試驗(yàn)工況不利于干燥過(guò)程的進(jìn)行時(shí),例如降低干燥介質(zhì)的流動(dòng)速度、溫度,增大干燥介質(zhì)的相對(duì)濕度、物料厚度及初始含濕量,超聲波的作用效果被強(qiáng)化;采用響應(yīng)面法優(yōu)化了試驗(yàn)參數(shù),在設(shè)定工況范圍內(nèi),超聲波參數(shù)為20kHz、179W,干燥介質(zhì)參數(shù)為5.73m/s、24.43℃、51.8%RH,物料參數(shù)為3kg _(water)/kg _(dry solids)、0.54cm時(shí),超聲波輔助纖維多孔介質(zhì)對(duì)流干燥的試驗(yàn)可達(dá)到最佳運(yùn)行工況;在干燥過(guò)程中,同一時(shí)刻,沿著濕分傳輸方向,溫度逐漸升高,液相的傳輸速率逐漸增大,含濕量逐漸降低且濕分的變化速率增大;同一高度位置處,隨著干燥過(guò)程的進(jìn)行,溫度逐漸升高,液相傳輸速率減小,含濕量逐漸降低且濕分的變化速率減小。(4)對(duì)超聲波處理后的纖維多孔介質(zhì)的微觀孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行顯微觀察并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和分形描述,然后研究分析了孔隙結(jié)構(gòu)變化對(duì)傳質(zhì)特性的影響:纖維多孔介質(zhì)的平均孔徑尺寸、最大分布率尺寸、孔隙率、表面分形維數(shù)隨著超聲波功率的增大和預(yù)處理時(shí)間的增長(zhǎng)呈現(xiàn)非線性的增大;當(dāng)630W的超聲波功率預(yù)處理40min之后,孔隙結(jié)構(gòu)變化近似達(dá)到最大幅度;孔隙結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致了傳質(zhì)速率的提高,經(jīng)630W的功率預(yù)處理30min之后的樣品,干基含濕率從3降低至0.5所需耗時(shí)從690min減少至504min,濕分有效擴(kuò)散系數(shù)從7.2265×10~(-9)m~2/min增大到9.04×10~(-9)m~2/min。本文工作較為系統(tǒng)地研究了超聲波輔助常溫風(fēng)對(duì)流干燥纖維多孔介質(zhì)的過(guò)程,分析了超聲波在多孔介質(zhì)中的傳播機(jī)理,探索了超聲波對(duì)纖維多孔介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)及傳質(zhì)速率的影響,為發(fā)展超聲波強(qiáng)化纖維多孔介質(zhì)內(nèi)部熱質(zhì)傳輸技術(shù)提供了理論支撐和技術(shù)支持。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TB559;TQ340.1;TB383.4
【圖文】：

的高溫防火服、裝甲部隊(duì)的防護(hù)服和飛行服；粘膠基碳纖維用于導(dǎo)彈的耐熱；聚乳酸纖維用于制作紙張塑膜、生活垃圾袋；甲殼素纖維由于其消炎止癢、保濕防燥等功能用于制作醫(yī)用紡織品；防滲裂纖維可以增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度和防滲性能而被普遍應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。在以上纖維構(gòu)成的多孔材料中，傳熱傳質(zhì)過(guò)程普遍存在于其應(yīng)用過(guò)程中，因此，研究纖維多孔介質(zhì)的傳熱傳質(zhì)機(jī)理及其應(yīng)用非常重要，對(duì)科學(xué)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步具有重大意義和深遠(yuǎn)影響，對(duì)該過(guò)程進(jìn)行強(qiáng)化研究，提高纖維多孔介質(zhì)的干燥速率是當(dāng)前工程熱物理學(xué)科面臨的重大科學(xué)問(wèn)題。 由于多孔介質(zhì)如圖 1-1 所示的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，使得其內(nèi)部能量和物質(zhì)傳輸問(wèn)題非常復(fù)雜，很難對(duì)其傳遞機(jī)制進(jìn)行精確的理論描述并提出提高過(guò)程傳輸效率的有效途徑。以多孔物料的熱風(fēng)干燥、微波干燥以及真空冷凍干燥技術(shù)為典型代表，長(zhǎng)期以來(lái)人們發(fā)展了一系列主動(dòng)或被動(dòng)強(qiáng)化傳質(zhì)技術(shù)以強(qiáng)化多孔介質(zhì)內(nèi)物質(zhì)傳遞速度，提高相關(guān)生產(chǎn)工藝效率。隨著電磁場(chǎng)、超聲場(chǎng)、以及微波等外場(chǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們開(kāi)始將外場(chǎng)輔助技術(shù)與傳質(zhì)過(guò)程相結(jié)合，試圖利用各種外場(chǎng)所特有的力學(xué)效應(yīng)、電化學(xué)效應(yīng)和熱效應(yīng)來(lái)強(qiáng)化多孔介質(zhì)內(nèi)質(zhì)量傳遞過(guò)程。

重影響人們的居住舒適度，而且干燥速度過(guò)慢不能滿足現(xiàn)代社會(huì)。離心旋轉(zhuǎn)和加溫是目前衣物加速脫水常用的方法。離心旋轉(zhuǎn)脫內(nèi)，通過(guò)脫水桶高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生較大的離心力，水分在離心力的作甩出桶外流出，從而達(dá)到脫水的目的。此方法具有脫水速度快水率僅可達(dá)到 55%從而脫水不完全，而且脫水過(guò)程中衣物極易損。 燥主要包括熱風(fēng)干燥和微波干燥。熱風(fēng)干燥是一種外部加熱干的能源可以分為電加熱式、PTC 加熱式和熱泵型，主要依靠?jī)?nèi)部機(jī)體內(nèi)的外界空氣，同時(shí)依靠電機(jī)帶動(dòng)滾筒或葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使加熱增濕后經(jīng)過(guò)濾排出機(jī)外[15]，如圖 1-2 所示為熱泵型干衣機(jī)系統(tǒng)度高，一般在 60℃以上，使用范圍受限，同時(shí)能耗較高，以英約占工業(yè)耗能的 5.5%。為改善能耗問(wèn)題，一種在干燥裝置中以間作為控制終端的技術(shù)被提出以避免過(guò)度脫水[16]。為緩解能源機(jī)體內(nèi)空氣的裝置也得到了研發(fā)，但是這種技術(shù)受天氣制約較

圖 1-3 微波型干衣機(jī)系統(tǒng)流程圖 述，目前廣泛應(yīng)用的強(qiáng)化纖維傳熱傳質(zhì)的技術(shù)在工程應(yīng)用的過(guò)程、工作條件不利于纖維性質(zhì)的維持等缺點(diǎn)，因此，迫切需要尋求有利于作用對(duì)象性質(zhì)保留的新的快速?gòu)?qiáng)化傳熱傳質(zhì)的新技術(shù)。介質(zhì)傳熱傳質(zhì)機(jī)理研究進(jìn)展 質(zhì)傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象廣泛存在于人類(lèi)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和自然界中，探索多的影響機(jī)理在提高物料干燥效率、分析土壤熱濕環(huán)境、開(kāi)發(fā)節(jié)能領(lǐng)域問(wèn)題上都具有重要的意義[20]。近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外的研理論、蒸汽擴(kuò)散理論、毛細(xì)流動(dòng)理論和蒸發(fā)凝結(jié)理論等理論模熱濕遷移過(guò)程[21]。 研究方面: Huang[22]對(duì)溫度梯度作用下的多孔介質(zhì)內(nèi)水分輸運(yùn)過(guò)介質(zhì)內(nèi)部各組分的質(zhì)量守恒方程。Nasrallah 和 Perre[23]以體積平介質(zhì)對(duì)流干燥時(shí)熱質(zhì)傳遞過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，應(yīng)用 Darcy 定律

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