微波冷凍干燥中的熱電耦合和控制策略優(yōu)化.pdf

1、冷凍干燥技術(shù)可以得到很高的干燥品質(zhì)，但是存在著諸如干燥速率低、干燥時間長、干燥過程能耗高等缺點。在冷凍干燥中采用微波加熱作為熱源，則在得到很高干燥品質(zhì)的同時，可以提高干燥速率，降低能耗，減少干燥時間。但是目前微波冷凍干燥仍面臨著微波加熱不均勻，工藝優(yōu)化與控制較為困難，加熱過程中會發(fā)生電離以及經(jīng)濟上是否有利等問題，有待進一步研究。在微波冷凍干燥中場強分布是不均勻的，而且場強分布與傳熱傳質(zhì)是耦合的。微波冷凍干燥中的這種熱電耦合不僅會引起冰融

2、、熱失控等問題，而且給干燥過程的優(yōu)化和控制帶來了困難。但是在此前的研究中，尚未涉及這一重要問題。 本文針對常見的層狀物料，建立了微波冷凍干燥過程的一維熱電耦合模型。模型中將整個加熱腔看作四層的分層介質(zhì)：上真空層、干層、凍層以及下真空層。這樣微波場強分布就可以采用反射系數(shù)法進行描述。模型的熱質(zhì)傳遞基本采用Wang和Shi所建立的非飽和介質(zhì)微波冷凍干燥中的升華—冷凝理論。本文采用變時間步長的有限差分法來求解這一模型。通過將數(shù)值模擬的

3、結(jié)果與文獻中的數(shù)據(jù)以及實驗數(shù)據(jù)相比較，驗證了本文中提出的一維熱電耦合模型的有效性。在此模型基礎(chǔ)上，重點討論了干燥過程中的場強分布變化和加熱不均勻性對干燥過程的影響。 對于瓶裝物料，由于必須考慮徑向熱質(zhì)傳遞，因此必須建立兩維模型。本文針對圓柱形微波加熱腔最常用的幾個低次模：TM010模和TE011模對場強分布進行計算，熱質(zhì)傳遞部分仍采用Wang和Shi所建立的升華—冷凝理論，從而建立了針對瓶裝物料的二維微波冷凍干燥數(shù)學(xué)模型。在所建

4、立二維模型的基礎(chǔ)上對干燥過程中的溫度分布和水分含量分布進行了分析和討論。 在課題組原有的LG-5實驗用冷凍干燥機基礎(chǔ)上，采用麥可富微波設(shè)備有限公司制造的FWSJ2-A型微波加熱設(shè)備，建立了微波冷凍干燥實驗臺。在此實驗臺上，采用牛肉作為物料進行了多次微波冷凍干燥實驗。溫度采用外包鋁箔進行微波屏蔽的熱電偶進行測量；實驗前后和實驗過程中的重量分別采用電子天平和壓電式重量傳感器進行測量；實驗過程中沒有過熱等現(xiàn)象發(fā)生，得到了很好的干燥效果

5、。 許多食品物料的微波吸收系數(shù)隨著溫度的升高而增大。因此如果某個部位被集中加熱時，此處就會因為吸收率增大與溫度升高相互作用而導(dǎo)致溫度無限制的上升，這一現(xiàn)象就稱為熱失速，也稱為熱斑、熱失控。這是微波冷凍干燥中的一個重要問題。本文以皮亞諾定理為基礎(chǔ)，提出了一種半理論方法對微波冷凍干燥升華階段的熱失速現(xiàn)象進行控制。該方法比純理論方法有著更廣泛的適用性，同時數(shù)值模擬結(jié)果表明這一方法可獲得理想的控制效果。 控制策略優(yōu)化是微波冷凍干

6、燥中的一個重要問題。本文采用直接搜索法對不均勻微波場強分布時的控制策略優(yōu)化進行了數(shù)值研究。結(jié)果表明凍區(qū)集中加熱會導(dǎo)致開始階段干燥過程減慢，而干區(qū)集中加熱會導(dǎo)致干燥后期的干燥速率減慢?？偟膩碚f，如果集中加熱的部分位于凍區(qū)內(nèi)，那么對干燥過程的進行是有利的。與之相反，如果集中加熱的位置位于干區(qū)里面，則對微波冷凍干燥過程的進行是最不利的。 盡管微波冷凍干燥技術(shù)有著干燥速度快、加熱效率高、設(shè)備利用率高以及干燥品質(zhì)好等優(yōu)點，但是也存在著微波