（流体机械及工程专业论文）溶液真空蒸发冻结过程的传热传质研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nf l u i dm e c h a n i s m e n g i n e e r i n g 幽f ! ! f f 掣删删姗删唧删肼 y 1 8 4 2 8 8 0 ” s t u d y o nt h em a s sa n dh e a tt r a n s f e ri nl i q u i d v a c u u m e v a p o r a t i o nf r e e z i n gp r o c e s s b ys o n gx i a n l i n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n gs h i w e i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 j 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 二f t 二 思0 学位论文作者签名：柒绝霖 日期： 抄莎? 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字目期： 导师签名： 签字日期 气 r l ， y i _ 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t s t u d yo nt h em a s sa n dh e a tt r a n s f e ri nl i q u i dv a c u u me v a p o r a t i o n f r e e z i n gp r o c e s s a bs t r a c t f r e e z i n gb yv a c u u me v a p o r a t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tw a y st of r e e z et h es o l u t i o n t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo ff r e e z i n gb yv a c u u me v a p o r a t i o ni sb a s e du p o nt h a tl i q u i di sa b l e t oe v a p o r a t er a p i d l ya n dt h el a t e n th e a to fp h a s ec h a n g e 、衍t ht h el i q u i d se v a p o r a t i o nw h i c h l o w st h et e m p e r a t u r eo ft h el i q u i dr e m a i n e du n d e rt h es i t u a t i o no fv a c u u mu n t i li ti sf r o z e nb y t h ev a c u u me v a p o r a t i o n t h a ti sa p p l i e dm o s t l yi nt h ep r o c e s so f m a n u f a c t u r i n gn l n - p o w d e r y b yc h e m i c a ls o l u t i o nl y o p h i l i z a t i o n c o m p a r e dw i t ho t h e rw a y so ff r e e z i n g ，t h e r ea r em a n y a d v a n t a g e so ff r e e z i n gb yv a c u u me v a p o r a t i o ni n c l u d i n gl o wc o s t s ，h i g hr a t eo ff r e e z i n g ， r a p i dc o n t r o l l a b l ep r o c e s s ，a n dk e e p i n gt h ec h e m i c a lh o m o g e n e i t yo ft h es o l u t ei nt h es o l u t i o n a w a yf r o mb e i n gd e s t r o y e d t h i st h e s i sm a k e sa ni n t e n s i v es t u d yo ft h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d m e c h a n i s mo ft h eh e a ta n dm a s st r a n s f e r d u r i n gt h ep r o c e s so ff r e e z i n gb yv a c u u m e v a p o r a t i o n t h i st h e s i si s ，o nt h eb a s i so fas u m m a r yo ft h ed e v e l o p m e n to fv a c u u mc o o l i n gh o m e a n da b r o a d ，p r a c t i c eo fe x p e r i m e n t sw i t ht h e o r y , g i v e saf u r t h e r s t u d yo nt h ep r o c e s so f f r e e z i n gb yv a c u u me v a p o r a t i o n d u r i n gt h er e s e a r c hw i t he x p e r i m e n t so nt h ep r o c e s so ff r e e z i n gb yv a c u u me v a p o r a t i o n o fs o l u t i o n ，t h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n t sw e r ei m p r o v e d t h ea f f i l i a t i o no ft h ee l e c t r o n i c b a l a n c ef o rm a s s m e a s u r e m e n t ，v a c u u mg a u g ef o r p r e s s u r em e a s u r e m e n t ， a n dt h e t h e r m o c o u p l ef o rt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti n c r e a s et h ea c c u r a c yo fm e a s u r e m e n to f e x p e r i m e n t a l ，a n dr e a l i z et h er a p i ds u r v e yo fq u a l i t y , p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e t h et i e so f m a t t e rp a r a m e t e ro ft h e e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l sw e r em e a s u r e da n dt h ew e i g h t ，s u r f a c e t e m p e r a t u r eo fs o l u t i o na n dp r e s s u r ei nv a c u u mt a n kw e r er e c o r d e d t h ev a r i a t i o no fw e i g h t ， t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eo ft h ea q u e o u ss o l u t i o no fc o p p e rs u l p h a t e ，s o d i u mc h l o r i d ea n d p u r ew a t e rw i t hd i f f e r e n tc o n s i s t e n c yi nt h ew h o l ep r o c e s so ff v e ，b o i l i n ga n df r e e z i n gp o i n t d u r i n gt h ee x p e r i m e n tw a sa n a l y z e dw i t hf i x e da m o u n t t h ec u r v e dl i n eo fv a r i a t i o no ft h e w e i g h t ，t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ei nv a c u u mt a n k w i t h t i m ew a sd e s c r i b e d t h eh e a t t r a n s m i t t a lm o d ei n s i d et h es o l u t i o ni sd e f i n e dd u r i n gt h ep r o c e s so ff v e t h ei n f l u e n c eo f i i i & 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea b i l i t yo fp e r m a n e n tg a sa n dc o n d e n s i n gc h a m b e rt os e i z ev a p o ri nt h ea i ri nt h ew h o l e p r o c e s so ff v e ；t h ei n f l u e n c eo ft h et r a p p i n ga b i l i t yo ft h ec o l dt r a pt of v e ；a n dt h e c o m p a r i s o nb e t w e e nt h et i m ea n de n e r g yc o n s u m p t i o nd u r i n gf v ea n da r i ds t a g ea f t e r d i r e c t l yf r o z e n f o rt h er e s e a r c ho nt h et h e o r yo ff v e ，t h el u m p e dp a r a m e t e rm o d e la n dm a c r o s c o p i c a l e n e r g yi d e n t i c a lm o d e lw e r es e tu p t h et e m p e r a t u r e w e i g h tc u r v e dl i n ew a ss i m u l a t e dt o d e s c r i b et h ev a r i a t i o no ft h ew e i g h tw i t ht e m p e r a t u r e t h en u m e r i c a lv a l u eb ys i m u l a t i n gt w o m o d e l si nt h eb o i l i n ga n df r e e z i n gp o i n tw a sa n a l y z e da n dc o m p a r e d s i m u l t a n e o u s l y , t h e m o d e lo fd y n a m i c so fg a sf l o ww a se s t a b l i s h e d ，t h ec u r v e dli n eo fv a r i a t i o nw i t ht i m eo f w e i g h t ，t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ew a ss i m u l a t e d ，t h er a t ea n da m o u n to fg a s f l o wd u r i n gf v e 产 b l 、 东北大学硕士学位论文 目 目录 独创性声明一 摘要 a b s t r a c t 1 ， 第一章绪论 蕾1 1 课题研究的目的和意义 1 2 真空蒸发冻结过程1 9 勺应用基础 1 2 1 真空蒸发冻结过程的基本原理 1 2 2 冻结过程的微观相变机制 1 2 3 真空蒸发冻结的应用领域 1 3 真空蒸发冻结过程的研究现状和发展趋势 1 4 本文研究的主要内容和意义： 第二章真空蒸发冻结过程实验装置的改进 2 1 实验系统 2 2 实验系统的改进 2 2 1 质量测量系统 2 2 2 压力测量系统 2 2 3 温度测量系统。 2 2 4 数据转换模块 2 2 5 实验系统 第三章真空蒸发冻结过程的实验研究 3 1 纯水的真空蒸发冻结过程的实验研究 _ | 3 1 1 实验前的准备 3 1 2 实验步骤 3 1 3 实验数据 3 1 4 实验分析 3 2 不同水溶液不同浓度时真空蒸发冻结过程的实验 3 2 1 不同浓度n a c l 溶液的真空蒸发冻结实验。 v 东北大学硕士学位论文 目录 3 2 2 不同浓度硫酸铜溶液的真空蒸发冻结实验2 3 3 3 真空蒸发冻结过程的热传递方式2 6 3 4 空气中永久性气体对真空蒸发冻结的影响2 7 3 5 冷阱捕集能力对真空蒸发冻结过程的影响2 8 3 6 真空蒸发冻结和直接冻结后溶液干燥时间及能耗的比较2 9 3 7 本章小结3 l 第四章真空蒸发冻结过程传热传质特性研究3 3 4 1 真空蒸发冻结过程的非平衡特征。3 3 4 2 符号表3 3 4 3 集总参数模型3 4 4 3 1 真空蒸发冷冻过程降温阶段的溶液质量变化模型3 4 4 3 2 真空蒸发冷冻过程冻结阶段的溶液质量变化模型3 5 4 3 3 真空蒸发冷冻过程升华阶段的溶液温度变化模型3 6 4 3 4 模拟计算一3 6 4 4 宏观能量恒算模型3 8 4 4 1 真空蒸发冷冻过程降温阶段的溶液质量变化模型3 8 4 4 2 真空蒸发冷冻过程冻结阶段的溶液质量变化模型3 8 4 4 3 真空蒸发冷冻过程升华阶段的溶液温度变化模型3 9 4 4 4 模拟计算3 9 4 5 本章小结4 0 第五章真空蒸发冻结过程的动力学特性研究4 l 5 1 过程分析与物理模型4 l 5 2 数学模型4 2 5 2 1 符号表乾 5 2 2 真空蒸发冻结过程中水蒸气流动状态的判别4 4 5 2 3 真空蒸发冻结过程中流导的计算4 4 5 2 4 真空蒸发冻结过程中压强和流量的计算4 5 5 2 5 真空蒸发冻结过程中质量和温度的计算一4 7 5 3 真空蒸发冻结前期的近似解析解4 9 v i 东北大学硕士学位论文 目录 5 4 真空蒸发冻结后期的近似解析解5 2 5 5 模拟计算5 3 5 5 1 迭代算法公式5 3 5 5 2 预先抽真空的模拟计算5 5 5 6 本章小结6 0 第六章实验与模拟比较6 2 r 6 1 实验与集总参数模型的比较6 2 6 2 实验与动力学模型的比较6 4 6 2 1 质量的比较6 4 6 2 2 温度的比较“ 6 2 3 压强的比较6 5 6 3 本章小结6 6 第七章结论与展望_ 。6 7 7 1 结论6 7 7 2 展望6 8 参考文献6 9 致谢7 3 攻读硕士学位期间发表的论文7 4 t 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 起源于1 9 世纪2 0 年代的真空冷冻干燥技术经历了几十年的起伏和徘徊，在最后的 2 0 年中取得了长足的进展。进入2 1 世纪，真空冷冻干燥技术凭借其它干燥方法无法比 拟的优点，越来越受到人们的青睐，除了医药、生物制品、食品、血液制品、活性物质 领域得到广泛应用外，其应用规模和领域还在不断扩大中。为此，真空冷冻干燥将成为 2 1 世纪的重要应用技术【l 】。 近年来，随着现代高新技术的发展，冷冻干燥技术与设备日趋成熟，其应用的范围 也逐步扩大到各个领域。真空冷冻干燥简称冻干，是指制品经完全冻结，并在一定的真 空条件下使冰晶升华，从而达到低温脱水的目的。将真空冷冻干燥应用于制备粉体。功 能材料作为被用于非结构目的的高技术材料，具有优良的物理、化学和生物功能。功能 材料一般综合运用现代先进的科学技术成就，多学科交叉、知识密集。虽然生产规模比 较小，但更新换代快：虽然需要投入大量的资金和时间研究开发，存在相当大的风险， 但一旦研究开发成功，则成为高技术、高性能、高产值、高效益的产品。所以如何制备 出具有优秀性能的功能材料一直是现代材料研究的焦点。 在溶液的真空冷冻干燥过程中，前驱溶液的冻结直接影响到下一步的干燥过程，从 而对整个真空冷冻干燥过程产生巨大影响。 冷冻工艺中可采用的冻结方法有直接冷冻、真空蒸发冻结和喷雾冷冻三种方法。与 直接冷冻法相比，真空蒸发冷冻法的特点是冻结过程迅速可控，作业方便快捷；与喷雾冷 冻法相比真空蒸发冷冻法成本低廉，无须使用液氮和其它专用设备，适合于批量化生产。 而且，从实验的情况看，真空蒸发冻结与其它两种方法相比更加节能节时【2 1 。 真空蒸发冻结过程是典型的非稳态过程，既有相变过程的传热传质，也有相间的传 热传质。真空蒸发冻结过程涉及相变热力学、流体力学、传热学、传质学、真空技术、 表面物理学、统计物理学、生物学和生物化学等领域及其交叉学科。研究真空蒸发冻结 技术，是研究真空学科与其它学科之间交互影响，共同发展，带有预测性的综合学科的 课题。 本科题是溶液真空蒸发冻结过程的研究，目的在于揭示溶液冻结过程中的传热传质 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 机理及其过程中质量、温度及压力随时间的规律，并探究不同溶剂、溶质对溶液真空蒸 发冻结过程的影响。 目前，人们在真空冷冻干燥技术中研究成熟的都是平衡的、稳态的传热传质过程的 理论而我们现在研究的溶液真空蒸发冻结过程是非平衡、非稳态的传热传质过程具 有重要的理论意义 1 2 真空蒸发冻结过程的应用基础 1 2 1 真空蒸发冻结过程的基本原理 真空蒸发冷冻法的基本原理是基于真空条件下液体能够迅速蒸发和液体蒸发时带 走相变潜热而使剩余液体温度降低，直至真空蒸发使其冻结。操作方法是将盛装溶液的 容器放入已预冷的冻干机中，随即对真空室抽真空因溶液中部分溶剂升华而使溶液降 温，从而使剩余部分的溶液迅速冻结【2 】。水是一般的溶剂，我们就以水为例，在低压下， 水的相变过程与常压下类似，但发生相变的温度不同。 罡 、 二 t ，口c 图1 1 纯水的相平衡图 f i g1 1p u r ew a t e ro fp h a s ee q u i l i b r i u md i a g r a m 例如，当压力为1 0 0 0p a 时，固态冰转变为液态水的温度略高于0 ，而液态水转化 为水蒸气的温度约为6 3 ，降低压力对冰点温度的影响不大，但水的沸点却大大降低 了。当压力降低n 6 1 0 5p a 时，水的沸点与冰点重合，重合点上的压力称为三相点压力， 其对应的温度为+ 0 0 0 9 8 ，称为三相点温度。在三相点压力以下，固态冰可以不经过 液态而直接转化为气态。在热风干燥、真空干燥中，物料中的水分发生液相一气相的集 态变化，水分蒸发逸出，在图1 1 上操作于o b 线上。而在o c 线上，物料中水分仅发生固 2 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 态一气态的集态变化，水分升华逸出，以此方式进行的干燥操作称为升华= f i 燥。 + o 0 0 9 8 。c 和6 1 0 5 p a 是指仅存在水蒸气的情况下，纯水的三相点温度和压力。而在总压 为1 0 1 3 1 0 5p a 时的空气中，冰、水和水蒸气三相在o 。c 处于平衡，蒸汽分压依然是6 1 0 5p a 。空气的存在使纯水三相点温度下降由二个效应引起：一方面是在1 0 1 3 x 1 0 5p a 下， 空气在水中的溶解使其凝固点下降0 0 0 2 4 。c ；另一方面是压力从6 1 0 5p a 上升为1 0 1 3 1 0 5p a 时，水的凝固点下降0 0 0 7 5 。 真空蒸发冻结分为两个阶段，首先真空室的压力降低到溶液初始温度所对应的饱和 压力，在饱和压力下，闪点出现，闪点就是溶液的温度对应真空室压力下水的饱和温度的 时刻。在这个阶段，蒸发缓慢，冷却效果不明显进入第二阶段后，压力继续降低，蒸发 开始进行，随着蒸发的进行，溶液的温度开始降低，一直进行到预先设定的温度。真空 蒸发冻结的基本特征：水的饱和温度与饱和压力相对应，在大气压下，水的饱和温度是 1 0 0 度，真空度为6 0 9 帕时，水的沸点是0 度【3 j 。 1 2 2 冻结过程的微观相变机制 以直接冷冻低于低共熔浓度的溶液为例，将盛有溶液制品的容器放置在冻干机的搁 板上进行冻结。缓慢的冻结过程如下：当盛有溶液制品的容器与冷表面接触后，在仍旧是 液体的制品内，形成了一个特有的温度分布。液体制品的底部温度最低，过冷度最大， 因此在样品底瘾先形成冰核。同时，等轴冰晶区迅速向过冷溶液中生长，直至过冷消失， 这是第一步结晶过程。随后，冰晶将继续向上表面生长，产生网状或树枝状结晶，界面 形态呈现柱状或树枝状，其顶端呈现尖端，酷似手指，是第二步结晶过程。随着纯水以 冰晶形式从溶液中析出，剩余溶液中的溶质浓度提高，在浓度梯度的驱动下，溶质向上 部扩散迁移。同时，浓缩的溶液冰点下降，聚集在冰晶间隙中。由于水变成冰时体积增 大，冰晶间隙内的浓缩溶液被挤压，从而在空隙内形成一股流向冰指尖端的浓缩溶液流。 这样，流向样品表面的浓缩溶液流与从高浓度带向未冻结区域进行的溶质扩散两种作用 起引起了制品内溶质的重新分布，形成溶质物质的偏析，在一定程度上破坏了溶质在 溶液中的均匀分布。当冰晶到达样品表面并且指尖不再生长时，在主要生长方向上的溶 质偏析是非常明显的。之后，流出冰晶间隙的高度浓缩溶质流在样品表面形成一层浓缩 溶质层，直至达到其低共熔浓度后冻结。从以上分析，我们发现完全缓慢冻结的样品中 会发生溶质的离析，破坏了溶质在溶液中的化学均匀性，从而影响最终粉体的质量。 如果溶液冻结过程进行的很快，即溶液中的传热速率大于溶质在溶液中的传质速 孓 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 率，则溶质的离析只能在小范围内发生。溶质来不及向上表面扩散迁移和流动，就己经 被周围的冰品所包围分割，固定于冰晶的间隙中，形成小尺度低共熔浓度的共熔体颗粒。 从结晶离析与相变动力学角度分析，可以得出如下结论：初始过冷度越大，冷却速度 越快，溶剂所形成的晶核数量越多，晶体来不及生长就被冻结，形成的晶粒数量越多， 晶粒越细，被固定于冰晶间隙中的溶质颗粒尺寸越小；反之，溶剂晶粒数量越少，晶粒越 大，分散于冰晶间隙中的共熔体颗粒尺寸越大。由于冻结过程所形成的溶质颗粒尺寸将 直接影响最终粉体的粒度大小和分布，所以，溶液冻结的冰界移动速率越快，完成冻结 所用时问越短，含有溶质的熔体颗粒尺寸以及最终获得的粉体颗粒尺寸就越小。 对于含有多种溶质的混合溶液而言，冻结过程的离析现象还会因不同溶质的扩散迁 移速率和冰点温度的不同而导致冻结产物的化学成分分布不均。这就对冻结速率有更高 的要求。 在实际工艺中，采用低于低共熔浓度的稀溶液和采取快速冷冻的冻结方式，其目的 都是为了保持溶质成分在冻结物中的均匀分布。无论对于那一种冷冻方法，冻结速率都 是十分关键的工艺参数i 到。 真空蒸发冻结的冻结速率更快，更加适合对溶液的冻结。 1 2 3 真空蒸发冻结的应用领域 从目前技术发展的程度来看，我们主要将真空蒸发冻结应用在制备钠米粉方面。无 机纳米粉体或由无机纳米粉体复合的材料，包括非金属材料纳米粉体、金属纳米粉体、 金属化合物纳米粉体及其复合材料等，能表现出许多优秀的性能。例如，将t i 0 2 ，c r 2 0 3 ， f e 2 0 3 ，z n 0 等具有半导体性质的纳米粉体掺入到树脂中有良好的静电屏蔽性能，日本松 下电器公司科学研究所己经研制成功树脂基纳米氧化物复合材料。纳米z n o ，t i 0 ：粉体加 入护肤化妆品、塑料中或涂在纤维上，可以起到防紫外线、灭菌作用。由a 1 2 0 3 一n a 2 0 纳米粉烧结成的多孔陶瓷材料具有轻质、绝缘、耐高温的特点，可用在航天器及冶金业 中。因此无机纳米粉体材料是当今炙手可热的先进功能材料1 2 j 。 1 3 真空蒸发冻结过程的研究现状和发展趋势 真空蒸发冻结和真空冷却具有相同的原理。我们通过对真空冷却机制机理，实验设 备及实验过程研究的借鉴，可以帮助我们完成真空蒸发冻结过程的研究。 - 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 9 0 4 年，“冷却”首先被p o w e l l 和他在美国农业部的同事提出的。目前，冷却方法 主要有四种：空气冷却、冷水冷却、冰冷却和真空冷却。空气冷却、冷水冷却和冰冷却 是通过对流和传导方式使产品进行温，对于传热系数和导热系数都比较小产品来说，热 量传递的速度很慢，导致冷却速度也较慢，从而使产品的冷却时阳j 较长，可达到十几个 小时。真空冷却是一种快速预冷的技术，目前在欧洲、美国和日本非常流行。它在很早就 已经被应用到莴苣、蘑菇、切花等园艺产品的预冷，近几年来，它又被应用到肉类及肉制 品的预冷。真空冷却已经被认为是快速有效的冷却方法。真空冷却是利用减压来降低水 的饱和温度，从而使产品中的水分蒸发，由于蒸发过程吸收的热量是来自产品本身，所以引 起产品的温度降低而冷却。真空冷却的优点是冷却速度快，能够相应延长产品的贮藏时间 和货架寿命，还可以抑制产品内部中微生物的生长和繁殖，能延缓产品中化学成分的变化 过程，改善产品的卫生条件，保持产品的营养价值和色、香、昧，提高产品质量。真空冷却 操作方便，而且还不受包装的限制。 真空冷却的基本原理是通过抽真空降压的方法，使物料内水分在低压状态下蒸发， 、 在吸收自身热量的同时，使产品内能减少和品温下降的一种总冷却方式。真空冷却就是 产品自身中的自由水在低温，低压条件下快速汽化的相变过程，也称自我冷却。真空冷 却是主要的研究对象是固体。 真空冷却应用于园艺产品的采后预冷；烤肉制品的真空冷却；调味料、汤料和粒状 食品的真空冷却；焙烤食品的真空冷却；水产品和半成品食品的真空冷却。 ! 西方发达国家对真空冷却技术的系统研究始于2 0 世纪4 0 年代末。在美国，真空冷却 技术被商业化应用于园艺产品已有5 0 多年了。1 9 4 8 年加利福尼亚州建成了世界上第一座 真空冷却工厂用作莴苣的采后预冷。日本1 9 6 6 年开始真空预冷技术的研究，后来在叶菜 类蔬菜生产基地得到推广应用。据文献报道，国外进行真空冷却试验研究的对象主要有 叶片类蔬菜、蘑菇、鲜切花，浆液状食品以及肉制品等。国外学者正积极探索真空冷却 技术在农产品和食品中的应用效果，其中最具有代表性的是爱尔兰国立大学食品学院孙 大文等人对切花和烤肉真空冷却的系统研究。他们研究的内容主要是：真空冷却相对于普 通冷却方法优越性的实验证实；不同的处理措施和工艺参数对冷却效果的影响；真空冷 却对产品品质造成的影响真空冷却机理和热，质传递过程的分析研究：建立不同产品真 空冷却过程的数学模型。 我国在2 0 世纪8 0 年代中后期才开始真空冷却技术的研究，对真空冷却先后进行的研 究主要有：中国农业大学对切花的研究，华南农业大学对菜心、芥兰的真空冷却过程研 5 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 究，闽西人学对子芋真空冷却保鲜的研究等等。国内高校和某些研究单位对真空冷却的 研究重点是对设备的设计和开发，而对真空冷却机理和热、质传递特性的研究很少。目 前，国内还没有对真空冷却进行数学模拟的相关报道。真空冷却是一种先进的冷却技术， 人们对它的认识还不很深入。目前对真空冷却技术机理分析较少，对冷却过程的失水控 制、压力控制、温度控制以及系统优化节能分析还很浏4 之2 1 。 目前，人们对溶液真空蒸发冻结的研究很少，大多从事食品真空冷却的研究真空冷 却是和真空蒸发冻结相关的技术真空蒸发冻结和真空冷却具有相同的原理我们通过 对真空冷却机制机理，实验设备及实验过程研究的借鉴，可以帮助我们完成真空蒸发冻 结过程的研究。 1 4 本文研究的主要内容和意义 本课题通过实验和理论计算两方面的研究，理论计算指导实验，实验验证理论计算 的结果。先建立实验平台，做相关实验得出数据再计算出该实验条件下的理论结果， 两者相比较。 一、主要研究内容： ( 1 ) 建立实验平台，实现对真空蒸发冻结过程中的温度、压力和质量的记录。通 过快速照相机，观察真空蒸发冻结过程。温度可以通过热电偶温度计测得，压力可以通 过薄膜真空计测得，质量可以通过电子天平测得。我们将g l z 0 4 型实验室用冷冻真空 干燥机进行稍微改进，把热电偶，薄膜真空计和电子天平最优化的安装在干燥机中。并 通过计算机记录实验数据。 ( 2 ) 实验得出数据后，绘制出时间分别和温度、压力、质量的三条曲线。观察这 三个变量随时间的变化趋势。 ( 3 ) 探究真空蒸发冻结过程中非平衡、非稳态的传热传质过程的机理。建模计算 真空蒸发冷冻过程中溶液的质量和温度的对应变化关系；得到冻结过程的溶剂损失比 例，指出溶液的溶剂初始含量应预留出蒸发部分的量，去掉蒸发的溶剂，剩余的溶液必 须仍然是稀溶液，才有可能冻结成均匀的固溶体。 ( 4 ) 研究不同溶质，溶剂以及不同浓度对溶液的真空蒸发冻结过程的影响。我们 可以采用其它生物制剂来做溶剂，进行真空蒸发冻结实验。 二、研究目的：本科题是溶液真空蒸发冻结现象的研究，目的在于揭示溶液冻结过 6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 程中的传热传质机理及其过程中质量、温度及压力随时问的规律，并探究不同溶剂、溶 质及不同浓度对溶液真空蒸发冻结过程的影响。 三、理论意义：目前，人们在真空冷冻干燥技术中研究成熟的都是平衡的、稳态的 传热传质过程的理论。而我们现在研究的溶液真空蒸发冻结过程是非平衡、非稳态的传 热传质过程具有重要的理论意义。 四、实际应用价值：真空蒸发冻结技术可以应用到制药、制纳米粉。具有以下优点： 冷却速度快，冷却均匀。真空蒸发冻结不许要冷却介质，是自身冷却过程，冷却过程中 消耗能量少。处理量大，操作方便。具有十分巨大的实际应用价值。 东北大学硕士学位论文第二章真空蒸发冻结过程实验装置的研究 第二章真空蒸发冻结过程实验装置的改进 2 1 实验系统 本文的实验装置是以g l z 一0 4 型实验室用真空冷冻干燥机为主体的实验装置系统。 实验装置如图2 1 ，实验系统流程如图2 2 所示。它由干燥室、水气凝结器、电加热器及 控制系统、制冷系统、干燥室压力调节系统和微机数据采集系统等部分组成。 图2 1g l z 0 4 型冻干机设备图 f i g 2 1t h ee q u i p m e n tm a po f g l z - 0 4f r e e z e d r y i n ge q u i p m e n 干燥室是一个由不锈钢制成的耐压隔热圆桶形容器腔体，内直径为5 5 0 m m ，长为 5 7 0 m m 。该腔体一端封闭，另一端为有机玻璃干燥室室门，可以观察干燥室内部真空蒸 发冻结过程的进行情况。干燥室内置3 块物料搁板和一块温度补偿板，搁板间距为9 0 m m ， 搁板总面积为0 4 m 2 ，每块搁板为3 0 0 m m x 4 5 0 m m x 2 5 m m 的薄板。在其背面装有相间排列 的制冷剂盘管和电阻加热带。在物料冻结时，搁板为物料提供冻结所需要的冷量；在物 料干燥过程中，搁板以辐射或传导( 主要是传导) 的方式提供干燥过程的升华热和解吸 热。搁板距离冻干箱前端面4 0 m m ，距离冻干箱后端面8 0 m m 。由于实验的需要干燥室的 8 东北大学硕士学住论文第二章真空蒸发冻结过程实验装置的研究 有效体积很大，所以我们将四块搁板中的中间两块，将到最下面的搁板上，使搁板f n j 的 慕j二露 体积变大，满足我们的实验要求。 、 图2 2g l z - o 4 型冻干机结构不意图 f i g 2 1t h es t r u c t u r a ld i a g r a m m a t i cm a po fg l z 一0 4f r e e z e d r y i n ge q u i p m e n t 针。， 1 冻干箱；2 水汽凝结器( 冷阱) ；3 阱泵阀：4 真空泵；5 箱阱蝶阀；6 真空调节；7 循环泵；8 电加 热器；9 板式换热器；1 0 高温调温阀；1 1 箱供液阀；1 2 阱供液阀；1 3 蒸发冷凝器；1 4 供液阀；1 5 低温机；1 6 高温机 真空蒸发冻结过程中，溶液中的水的蒸发产生大量水蒸气。如此大体积的水蒸气如 果不加以处理而由真空泵抽出，则需要大容量的抽气机组才能维持所需要的真空度，因 而，脱水装置是必须的。实验系统中，采用无缝不锈钢管制成的蛇型盘管凝结器固定在 圆桶形的腔体上，腔体内直径为4 5 0 m m ，长2 6 0 m m ，盘管直径为2 0 m m ，两管之间距离 为2 0 m m ，中间两排管子之间的的距离为8 0 m m ，两侧管子与中间两排管子之间的距离为 1 0 0 m m ，每排有8 个管子。排管距离冷阱前端面3 0 m m ，距离冷阱后端面9 0 m m 。水蒸气 在管外凝结，管内通入制冷剂，在水蒸气入口出设有挡霜板。室门为有机玻璃，可以观 察到盘管表面的结霜情况。在真空蒸发冻结过程中，冷凝管的表面温度在7 0 。c 左右。 实验装置的干燥加热热源由电加热器提供，电加热器热量由调压变压器调节，可依 冻干物料的不同要求选择不同的加热功率。本实验系统采取间接加热的方式对搁板加 热，电加热器加热中间流体( 载冷剂) ，并用循环泵使载冷剂在各板层间不断循环获得 板层的加热。加热系统除加热板以外，还包括热媒加热罐、换热器、气动调节阀、循环 l 东北大学硕士学位论文第二章真空蒸发冻结过程实验装置的研究 泵及管路、阀门、液位计、温度传感器等。本冻干机搁板的加热温度最高可达n + 7 0 c + 8 0 。 实验装置的制冷系统为冻干箱和水气凝结器( 冷阱) 提供冷源。本机中冻干箱和水 气凝结器共用一套制冷系统。系统采用复叠式压缩制冷机组，制冷剂为r 5 0 7 。本系统采 用直接制冷的方式对搁板制冷，冷冻机通过冷交换器制冷中间流体( 载冷剂) ，并用循 环泵使载冷剂在各板层问不断循环获得板层冷却。搁板的制冷温度不能过低，不可低于 6 5 ，否则载冷剂会凝固。冷冻机内润滑油采用3 2 h ( 聚脂油) 。 在干燥阶段，干燥室内压力条件的建立是通过压力调节装置和抽气机组完成的。干 燥室压力调整装置由硅胶吸附过滤器、真空电磁阀和手动真空微调针阀构成，通过微调 针阀可以调节干燥室的漏气量，以平衡抽气机组的抽气量，达到稳定干燥室操作压力和 循环调节压力的目的。在压力调节装置上还有一个旁通的真空隔膜阀用于破坏系统真 空。抽气机组由1 台t r i v a cd 1 6 c 型双级油封旋片真空泵，其关气镇总压强为0 0 0 3 p a ，开 气镇极限总压强为0 0 0 6 p a ，抽速为1 7 0 1m 3 h ，功率5 5 0 w , 泵油是莱宝专用泵油n 6 2 号润滑 油。 2 2 实验系统的改进 图2 3 电子天平s c o u tp r o f i g 2 3e l e c t r o n i cb a l a n c es c o u tp r o 1 0 - 东北大学硕士学位论文第二章真空蒸发冻结过程实验装置的研究 在实验中，干燥室其实就是一个真空室，我们不需要电加热和压力调节系统，同时 喃 我们需要改进原来的压力测量改系统和温度测量系统，并加入质量测量系统。 2 2 1 质量测量系统 原冻干机内没有测量物料质量的系统，我们将原冻干机干燥室内部结构进行改造， 将中间两块隔板去掉，增大干燥室的有效空间，以便将用来测量溶液质量的电子天平放 入干燥室。电子天平如图2 3 所示，型号s p u 4 0 2 ，量程o 4 0 0 9 ，精度0 o l g ，操作温度 1 0 。c , - 一4 0 。c ，体积1 9 2 m m x 5 4 m m x 2 1 0 m m ( 宽高x 长) ，通讯接口为r s 2 3 2 ，外接电源。 2 2 2 压力测量系统 袖珍型p i r a n i 真空规管，如图2 4 所示，型号t p r 2 8 0 ，量程0 0 5 p a 1 a t m ，误差2 ， 信号输出的电压范围0 + 9 v ，信号输出的测量范围+ 2 2 v + 8 5 v ，响应时间8 0 m s ，通 讯接口为r s 2 3 2 ，外接电源。 2 2 3 温度测量系统 图2 4 袖珍型p i r a n i 真空规管 f i g 2 4c o m p a c tp i r a n ig a u g e e 型热电偶( 镍铬一康铜) ，如图2 5 所示。温度范围2 0 0 。c , 1 0 0 0 c ，精度0 1 。 东北大学硕士学位论文 第二章真空蒸发冻结过程实验装置的研究 ：+ 矗 。； ! ! ； ： 2 2 4 数据转换模块 图2 5e 型热电偶 f i g 2 5e t h e r m o c o u p l e 1 - 7 0 1 7 模块可以转换热电偶的读数；1 - 7 0 1 8 模块可以将模拟信号转换成数字信号； 1 - 7 5 2 0 模块