火龙果真空冷冻干燥传热传质理论与实验研究

论文摘要

真空冷冻干燥技术是在真空干燥之前先将物料冷冻到它的共晶点温度或玻璃化转变温度以下,待物料完全冻结后再进行真空干燥的技术。它是一门集真空、制冷、流体、传热传质、动力工程和控制工程于一体的跨学科的科学技术。由于该技术能够保证产品的基本特性,广泛应用于食品、药品、生物制品、超细微粒材料等领域。由于该技术是在真空条件下进行的,干燥速率低,干燥时间长,过程能耗大,材料物性参数测定困难;需要一整套低温制冷和高真空获得设备,投资和加工费用大,生产成本高。本文介绍了真空冷冻干燥的基本原理和它的四个基本阶段,即前处理、预冻、干燥和后处理。建立了动压测量模型,并用该模型计算了移动升华界面温度,从测量手段上进一步研究真空冷冻干燥工艺。把干燥过程细分为一次干燥稳定阶段、一次干燥后期阶段和二次干燥阶段。在一次干燥稳定阶段中,升华界面温度相对比较稳定,回归系数F值先减小然后逐渐增大,压力变化曲线由一飞升曲线和一近似直线段组成,直线段的斜率逐渐增大,但相对较小;在一次干燥后期阶段中,回归系数K值迅速减小,F值先增大后减小,压力飞升曲线的直线段的斜率较大;在二次干燥过程中,回归系数K值快速下降,F值的减小趋势比升华干燥的后期阶段的减小趋势稍微小一些,压力回升曲线近似为一直线,而且斜率很小。利用FLUENT流体计算软件模拟了干燥室搁板与物料上表面之间的空间的温度场,物料离上搁板越近,温度越高,获得的能量越多,干燥时间就越少。边缘的温度梯度较中间的大,所以物料的边缘部分获得的能量相对于中间部分来说更多,从而更容易干燥。利用差示扫描量热技术测量了火龙果的初始冻结点温度、玻璃化转变温度和比热,得出初始冻结温度约为-2.5℃,玻璃化转变温度范围为-40～-47℃,从而估计它的塌陷温度在-20～-27℃之间,共晶温度大约在-30℃。研究了火龙果在不同物料厚度,不同一次干燥温度和不同二次干燥温度的条件下的冻干情况。当物料厚度相同时,一次干燥温度对干燥总时间的影响大于二次干燥温度对干燥总时间的影响;当一次干燥温度相同时,物料厚度越大,干燥的时间就越长,耗费的能源就越多。干燥温度越高,越容易发生干缩;物料厚度越小,越容易干缩。从而得出火龙果的最佳干燥工艺是:物料厚度为11mm,一次干燥温度为25℃,二次干燥温度为50℃。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 真空冷冻干燥的基本原理
• 1.2 真空冷冻干燥的基本过程
• 1.2.1 前处理
• 1.2.2 预冻
• 1.2.3 干燥
• 1.2.4 后处理
• 1.3 真空冷冻干燥的特点和应用范围
• 1.4 真空冷冻干燥的研究现状
• 1.4.1 真空冷冻干燥的理论研究
• 1.4.1.1 国外理论研究现状
• 1.4.1.2 国内理论研究现状
• 1.4.2 真空冷冻干燥的工艺研究
• 1.5 本文的主要研究工作
• 第二章 动压测温理论与实验研究
• 2.1 动压测量技术的原理与分析方法
• 2.2 动压测量方法的数学模型
• 2.2.1 动压测量方法数学模型的建立假设
• 2.2.2 动压测量方法数学模型的建立
• 2.2.2.1 动压测量数学方程的建立
• 2.2.2.2 数学模型的求解方法
• 2.3 动压测量数学模型在不同干燥阶段的应用
• 2.4 动压测量技术的数据回归方程组
• 2.5 动压测量技术的实验研究
• 2.6 动压测量技术的结果分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 干燥室温度场数值模拟
• 3.1 FLUENT简介
• 3.2 干燥室内温度场的研究
• 3.2.1 FLUENT辐射模型
• 3.2.2 干燥室空间温度场研究
• 3.3 本章小结
• 第四章 真空冷冻干燥实验研究
• 4.1 初始冻结温度和玻璃化转变温度的测量
• 4.1.1 热流型差示扫描量热仪
• 4.1.2 功率补偿型差示扫描量热仪
• 4.1.3 几种DSC仪器性能的比较
• 4.1.4 实验材料与方法
• 4.1.4.1 实验材料
• 4.1.4.2 实验方法
• 4.1.4.3 实验结果和分析
• 4.2 水分含量的测量
• 4.3 火龙果的真空冷冻干燥实验研究
• 4.3.1 实验材料
• 4.3.1.1 火龙果的介绍
• 4.3.1.2 真空冷冻干燥实验台介绍
• 4.3.1.3 真空冷冻干燥过程中温度的控制
• 4.3.1.4 真空冷冻干燥过程中压力的控制
• 4.3.2 实验方法
• 4.3.3 实验结果与分析
• 4.4 真空冷冻干燥后物料的质量分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文
• 致谢