本文上海一恒科學(xué)儀器有限公司解析怎樣提高冷凍干燥的效率，減短冷凍干燥的干燥時(shí)間。冷凍干燥是一種先將濕物料冷凍固化，然后在低溫低壓下以升華/解吸的方式去除濕份的干燥方法。由于脫水徹底、產(chǎn)品質(zhì)量高，冷凍干燥非常適合食品、藥品和生物制品等物料的干燥。但是，冷凍干燥耗時(shí)長(zhǎng)和能耗高的缺陷使其局限于高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)。因此，如何縮短冷凍干燥時(shí)間，降低過(guò)程能耗一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。強(qiáng)化冷凍干燥最簡(jiǎn)便易行的方法是優(yōu)化操作條件。適當(dāng)提高干燥室溫度可以加快過(guò)程速率，但溫度過(guò)高會(huì)使物料崩塌。事實(shí)上，在待干料液的共晶溫度或者玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下盡可能地提高冷凍溫度，可以適當(dāng)減少能耗。嘗試優(yōu)化冷凍階段，從而提高干燥速率。
本文的主要內(nèi)容為：
(1)將波動(dòng)方程和冷凍干燥質(zhì)熱耦合傳遞控制方程相結(jié)合，精確地描述電場(chǎng)在含濕多孔介質(zhì)中的傳播與耗散，解決溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)和電磁場(chǎng)同時(shí)存在并相互影響的多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題；
(2)進(jìn)行甘露醇水溶液的微波冷凍干燥實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證SiC吸波材料輔助微波加熱對(duì)冷凍干燥過(guò)程的強(qiáng)化作用，同時(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)定甘露醇固體粉末介電特性；
(3)數(shù)值求解控制方程組，再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)條件下液體物料的微波冷凍干燥過(guò)程，驗(yàn)證模型的可靠性和準(zhǔn)確性；
(4)考察物料在干燥過(guò)程中溫度、飽和度和電場(chǎng)的分布，探討多孔介質(zhì)微波冷凍干燥過(guò)程的傳遞機(jī)理。
實(shí)驗(yàn)儀器主要包括：磁力攪拌器(Dragon，85-2型，中國(guó))，電子天平(Mettler，ME403E，瑞士)，電熱風(fēng)干燥箱(一恒，DHG-9070A，中國(guó))，水分測(cè)定儀(Mettler，HR83-P，瑞士)。
上海一恒DHG-9070A臺(tái)式鼓風(fēng)干燥箱
本文建立并數(shù)值求解了多孔介質(zhì)溫度、濃度和電磁場(chǎng)耦合的多相傳遞數(shù)學(xué)模型；以甘露醇水溶液為待干料液，進(jìn)行了吸波材料輔助的初始非飽和多孔物料微波冷凍干燥實(shí)驗(yàn)，同時(shí)采用同軸探針反射法測(cè)定了甘露醇固體的介電特性。得到了以下結(jié)論：
(1) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在30℃，22Pa和1W操作條件下，初始非飽和多孔介質(zhì)微波冷凍干燥時(shí)間較傳統(tǒng)冷凍干燥最大可節(jié)省30%，實(shí)現(xiàn)了過(guò)程傳熱傳質(zhì)的同時(shí)強(qiáng)化。甘露醇固體的介電特性測(cè)定結(jié)果表明其損耗因子較低，不易吸收微波。
(2) 數(shù)值模擬結(jié)果再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)條件下甘露醇水溶液的微波冷凍干燥過(guò)程，模擬計(jì)算得到的干燥曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分吻合。
(3) 考察樣品干燥過(guò)程中溫度、飽和度的分布表明，在1W微波功率下，樣品底部靠近底盤處溫度最高，且飽和度下降最快，樣品內(nèi)部冰凍核心相比傳統(tǒng)冷凍干燥過(guò)程上移。實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果均表明，樣品在干燥過(guò)程中并未發(fā)生局部過(guò)熱現(xiàn)象。
(4) 考察電場(chǎng)的空間分布表明，樣品組件的存在導(dǎo)致了電場(chǎng)在微波腔內(nèi)重新分布，底盤周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度明顯大于其他區(qū)域。干燥過(guò)程中樣品內(nèi)部電場(chǎng)分布隨時(shí)間不斷變化。這表明，本文所建立的模型能夠揭示電場(chǎng)在含濕多孔介質(zhì)中的實(shí)時(shí)傳播與耗散。
(5) 對(duì)于常規(guī)飽和與初始非飽和物料傳統(tǒng)冷凍干燥，以及初始非飽和物料的微波冷凍干燥，累計(jì)吸收的總能量相當(dāng)。這表明，初始非飽和物料的微波冷凍干燥過(guò)程沒有消耗更多的能量，只是提高了能量效率，從而大幅縮短了干燥時(shí)間。
(6) 模擬結(jié)果表明，適當(dāng)提高微波饋入功率能夠進(jìn)一步縮短冷凍干燥時(shí)間。
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