冻干机干燥室内热质传递的数值模拟

冻干机干燥室内热质传递的数值模拟
姚智华;张华
【摘要】以某国产冻干机冻干室为研究对象,建立了其三维结构模型.采用计算流体力学方法,推导了冻干过程的热质传递模型,并用计算流体力学软件FLUENT6.3对冻干室内的流场进行数值模拟.模拟结果表明,在冻干室内部,在靠近冷阱部分,水蒸气的扩散流速较大,最大速率达到0.065m/s,流速的最小值位于冻干室入口处,且方向与流向冷阱方向的水汽速率相反.模拟结果对深入研究冻干过程中的热质传递机理有一定的指导作用.
【期刊名称】《安徽科技学院学报》
【年(卷),期】2013(027)001
【总页数】4页(P86-89)
【关键词】冻干机;热质传递;数值模拟;计算流体力学
【作者】姚智华;张华
【作者单位】安徽科技学院机电与车辆工程学院,安徽凤阳2331001;安徽科技学院机电与车辆工程学院,安徽凤阳2331001
【正文语种】中文
【中图分类】TB657.1
食品真空冷冻技术是先将预处理后的食品冻结，然后在高真空下对物料加热，使物料中的水分直接从固态升华为气态，从而将水蒸气排除，获得高品质脱水食品(简称冻干食品)的方法［1］。

冻干分为冷冻和干燥两个阶段，热量和质量的传递贯穿
食品冻干的整个过程。

供给热量的过程是一个传热过程，排除蒸汽的过程是一个传质过程，因此，升华干燥过程是一个传热和传质同时进行的过程。

升华干燥的传热驱动力为热源与升华界面的温差，而传质的驱动力为升华界面与冷阱之间的蒸汽压力差。

温差越大，蒸汽分压差越大，热质传递越快［2］。

在一般的冻干机中，一般利用带有冷凝作用的冷阱来捕捉水蒸气，不凝性气体用真空泵抽去，以维持真空室内的低压。

冻干室的热质传递是影响冷冻干燥过程的主要因素，但是由于问题的复杂性，用理论解析的办法，很难对干燥室内部的流场进行定量的分析。

水蒸气在冷阱内部的流动一般属于层流，同时要考虑边界层效应，用常规的方法很难求解［3－4］。

计算流体力学CFD(computational fluid dynamics)为解决这类问题提供了一种方便的方法。

利用有限体积法和CFD软件，能够模拟冻干室内部的热质传递，为提高冻干过程中的热质传递效率，降低干燥能耗，优化冻干机结构，提供了一种较好的方法和思路［5－7］。

本文将针对某国
产小型冷冻干燥试验机，在建立冻干室几何模型的基础上，首先建立热质传递的数学模型，然后用CFD软件对冻干室内部水蒸气的扩散速度流场进行数值模拟，模
拟结果可以为深入研究冻干室内的热质传递提供一定的参考。

1.1.1 冷冻过程模型的建立物料的冻结可分为三个阶段，第一阶段为单纯的降温过程，无相变发生。

第二阶段为结晶过程，完成相变，使物料内的水分几乎完全冻结;第三阶段为再降温过程，直至物料中心温度降至共晶点温度以下的温度。

根据热量守恒方程［8］，可以推导出冷冻过程的传热模型为:
1.1.2 升华干燥过程模型的建立干燥过程分为升华干燥和解析干燥过程，由于解析干燥模型过于复杂，本次模拟只考虑升华干燥过程。

由能量守恒定律，可以推出干燥层的热量传递方程为:
式中ρ为密度，c为比热容，k为热传导系数，N为水蒸气质量流率，div为散度。

本次模拟只考虑水蒸气从制品多孔干燥层逸出后到冷阱捕捉的过程，对于水蒸气从
升华干燥界面沿着多孔介质流出的过程不予考虑。

冻干室内部的流体处于流动过程中，传热和传质主要受质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律的控制［8］。

质量守恒方程(连续性方程)，即单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量:
动量守恒方程(N－S方程)，即微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用
在该微元体上的各种力之和:
图1为本次模拟的冻干机示意图。

加热板和物料盘组装于冻干室内。

干燥室内有
加热板和冷阱。

对该冻干机的尺寸进行了实际测量，并且用UG软件建立了三维几何模型，如图2所示:
采用有限体积法FEM(finite volumemethod)对控制方程进行离散［8］，由于冻干室内部是压强和速度耦合的问题，常用的方法是有限体积法中的SIMPLE算法。

对边界条件进行处理。

将冻干室模型保存为IGES格式，并导入到GAMBIT软件中，，在GAMBIT中进行单元和网格划分，并设置边界条件，其内部网格如图3
所示:
将GAMBIT结果保存为mesh文件，并导入到FLUENT6.3软件中。

在FLUENT6.3软件中进行网格的检查，然后定义求解器和边界条件，进行迭代后收敛，将结果保存为data格式，在Tecplot软件中进行处理。

在干燥室筒体的中心截面内，水蒸气流速的流场分布云图如图4所示，水蒸气流
速的矢量图如图5所示。

从图4和图5可以看出，在冻干室内部，在靠近冷阱部分，水蒸气的扩散流速较大，最大速率达到了0.065m/s，这与实际情况是一致的，因为冷阱处的温度最低，压力相对最低，传质驱动力较大。

从图中还可以看出，在冻干室上侧处的水蒸气速
率要大于下侧的速率，这是由于在模拟中考虑了重力的影响，下侧处的水蒸气浓度相对较大，粘度也较大，因此其速率相对较小。

流速的最小值位于冻干室入口处，且方向与流向冷阱方向的水汽速率相反，达到了－0.02m/s，这是由于该处的传质驱动力较小。

对冻干室内部流场的数值模拟表明:
(1)计算流体力学方法可以较好的模拟计算冻干室内部的流场分布，特别是冻干室内部水蒸气的扩散流速大小和分布情况。

(2)在冻干室内部，靠近冷阱区域水蒸气的扩散流速较大，最大速率达到了
0.065m/s，冻干室入口处的水蒸气扩散速率较小，为－0.02m/s，这是由于传质驱动力不同所导致的。

(3)本文模拟没有考虑水蒸气在冷阱上的冷凝相变因素，与实际流场分布会有一些偏差。

【相关文献】
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