溶液真空蒸发冻结过程的传热传质研究

论文摘要

真空蒸发冻结对于溶液来说,是一种非常重要的冻结方式。真空蒸发冻结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,直至冻结。采用化学溶液冻干法制备纳米粉体的过程中,应用较多。本文对真空蒸发冻结过程中的传热传质特性和机理做更加深入的研究。本文在综述国内外真空冷却和真空冻结发展的的基础上,运用实验与理论相结合的方法,对溶液的真空蒸发冻结过程作了进一步研究。在溶液真空蒸发冻结过程的实验研究中,门改造了实验设备。加入了测量质量的电子天平、测量压强的真空规管以及测量温度的热电偶,并提高了实验装置的测量精度,实现了质量、压强和温度的快速、自动测量。测量了实验物料的基本物性参数,同一时刻记录溶液质量、表面温度和真空室压强,定量的分析了实验过程中,不同浓度的硫酸铜、氯化钠和纯水的水溶液在爆沸点和冻结点以及整个真空蒸发冻结过程中的质量、温度和压强的变化。描绘出溶液质量、温度及真空室压强随时间变化的曲线。确定了真空蒸发冻结过程中,溶液内部的热传递方式。空气中永久性气体和冷凝室捕捉水蒸气的能力对整个真空蒸发冻结过程的影响。冷阱捕集能力对真空蒸发过程的影响。真空蒸发冻结和直接冻结后溶液干燥时间及能耗的比较。在溶液真空蒸发冻结过程的理论研究中,建立了集总参数模型和宏观能量恒算模型,模拟出温度-质量曲线来描述溶液质量随溶液温度的变化情况,分析比较了两种模型在爆沸点和冻结点的模拟数值。同时,也建立了气体动力学模型,反映出了真空蒸发冻结过程中质量迁移气体流动。模拟出质量、温度和压强随时间变化的曲线,计算出真空蒸发冻结过程中的气体流动速率和流量,归纳总结出描述溶液真空蒸发冻结过程的方法和理论依据。将实验曲线与模拟曲线作比较,实验与模拟非常吻合。分析整个真空蒸发冻结过程中的机理,为其它溶液在真空蒸发冻结的工业生产提供方便。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 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
• 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NaCl溶液的真空蒸发冻结实验
• 3.2.2 不同浓度硫酸铜溶液的真空蒸发冻结实验
• 3.3 真空蒸发冻结过程的热传递方式
• 3.4 空气中永久性气体对真空蒸发冻结的影响
• 3.5 冷阱捕集能力对真空蒸发冻结过程的影响
• 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
• 3.7 本章小结
• 第四章 真空蒸发冻结过程传热传质特性研究
• 4.1 真空蒸发冻结过程的非平衡特征
• 4.2 符号表
• 4.3 集总参数模型
• 4.3.1. 真空蒸发冷冻过程降温阶段的溶液质量变化模型
• 4.3.2 真空蒸发冷冻过程冻结阶段的溶液质量变化模型
• 4.3.3 真空蒸发冷冻过程升华阶段的溶液温度变化模型
• 4.3.4 模拟计算
• 4.4 宏观能量恒算模型
• 4.4.1 真空蒸发冷冻过程降温阶段的溶液质量变化模型
• 4.4.2 真空蒸发冷冻过程冻结阶段的溶液质量变化模型
• 4.4.3 真空蒸发冷冻过程升华阶段的溶液温度变化模型
• 4.4.4 模拟计算
• 4.5 本章小结
• 第五章 真空蒸发冻结过程的动力学特性研究
• 5.1 过程分析与物理模型
• 5.2 数学模型
• 5.2.1 符号表
• 5.2.2 真空蒸发冻结过程中水蒸气流动状态的判别
• 5.2.3 真空蒸发冻结过程中流导的计算
• 5.2.4 真空蒸发冻结过程中压强和流量的计算
• 5.2.5 真空蒸发冻结过程中质量和温度的计算
• 5.3 真空蒸发冻结前期的近似解析解
• 5.4 真空蒸发冻结后期的近似解析解
• 5.5 模拟计算
• 5.5.1 迭代算法公式
• 5.5.2 预先抽真空的模拟计算
• 5.6 本章小结
• 第六章 实验与模拟比较
• 6.1 实验与集总参数模型的比较
• 6.2 实验与动力学模型的比较
• 6.2.1 质量的比较
• 6.2.2 温度的比较
• 6.2.3 压强的比较
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文