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生物多孔材料非稳态收缩及其对传热传质影响研究

刘显茜  
【摘要】:热风对流干燥生物多孔材料,伴随着水分的扩散蒸发,常常会出现体积减小,组织收缩现象。生物多孔材料体积减小、组织收缩致使材料表面与热空气之间的对流传质系数和物料内部的水分有效扩散系数减小,影响了生物多孔材料干燥水分进一步扩散和蒸发。本文针对生物多孔材料热风干燥非稳态收缩及其对传热传质的影响进行了系统研究,主要研究内容如下: 首先,基于连续介质理论,建立了生物多孔材料干燥组织非稳态收缩递推模型,将物料干燥过程中整体体积收缩随其平均干基含水率变化的一维线性关系应用于物料各离散单元,研究了生物多孔材料干燥过程中的组织非稳态收缩问题。结果表明,物料颗粒在干燥过程中随着水分的对外扩散、介质干基含水率降低,物料组织收缩并不是由外到内同步收缩,而是先失去水分的外部先收缩,失水多的外部收缩幅度大于失水少的内部,没有失水的部位不收缩。并从数学证明和数值计算两方面验证了生物多孔材料干燥组织非稳态收缩递推模型的正确性。 然后,基于生物多孔材料干燥过程中组织非稳态收缩,提出了生物多孔材料局部水分有效扩散系数与局部水分扩散面收缩变化的组织收缩-水分有效扩散系数模型,对生物多孔材料干燥过程中局部水分有效扩散系数的变化规律进行了研究。结果表明,干燥过程中,生物多孔材料内部局部水分扩散面收缩,局部水分有效扩散系数减小;局部水分扩散面不变,局部水分有效扩散系数不变;组织孔隙分布均匀的材料,各部分水分有效扩散系数相等。 最后,基于生物多孔材料干燥过程中体积收缩和对流传质面减小现象,研究了物料特征尺寸、形状以及热空气温度、相对湿度、风速等对干燥特性的影响。结果表明,整个物料干燥过程应划分为外部干燥条件控制的第一干燥阶段和物料内部水分扩散控制的第二干燥阶段。而经典干燥理论干燥过程恒速干燥阶段和降速干燥阶段的划分只是特定形状和材质的物料在一定干燥条件下才出现的干燥现象。物料外层单元水分活度能够判别物料干燥过程是处于第一干燥阶段还是第二干燥阶段,是表征物料干燥特性的唯一特征参数。而物料临界平均干基含水率不能作为物料干燥过程是处于第一干燥阶段还是第二干燥阶段的判据,不是表征物料干燥特性的特征参数。


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