生物多孔介质热风干燥数学模型及数值模拟

为了研究生物多孔介质在热风干燥过程中的热质传递机理以及其内部应力应变分布规律,根据生物多孔介质中温度、水分及应力之间复杂的耦合关系,基于菲克扩散定律、傅立叶导热定律和热弹性力学理论,建立了对流干燥条件下,含湿多孔介质内部传热传质过程热-湿-力双向耦合的数学模型。采用有限差分法编制相应的计算程序,对其进行数值计算,数值结果与马铃薯和胡萝卜对流干燥试验结果之间的相对误差均小于5%;进一步分析了干燥特性曲线,以及温度、干基含水率和应力应变的时空分布;最后分析了风温、风速等干燥条件以及多孔介质厚度对干燥过程的影响,结果表明:在一定试验条件下,风温越高,风速越大,切片厚度越薄,干燥时间越短。研究为改善生物多孔介质热质传递现象物理机理的理解提供参考。     

土豆干燥过程中内部传热传质的数值模拟

建立了可以预测干燥过程中土豆内部水分分布和温度分布的传热传质模型,模型考虑了干燥过程中的土豆收缩和水分扩散系数的变化。该文推导的内部传热传质模型计算所得的内部水分分布和温度分布与实验结果相近。研究还发现在模型中是否考虑收缩对所得的水分分布和温度分布有较大的影响。     

山药片红外联合热风干燥热质传递收缩模拟与品质

为了准确揭示山药片红外联合热风干燥传热传质机理,在考虑山药片收缩变形特性的基础上,通过有限元软件COMSOL6.1建立了“温度场-湿度场”多场耦合的山药片红外联合热风干燥传热传质模型。模拟研究基于山药片在不同温度（50、60、70℃）下收缩变形的传热传质,并通过试验进行验证。分析不同温度对山药片品质（色差、复水比、多糖和尿囊素含量）的影响。结果表明：1)山药片体积比随干燥温度的升高而增加,在干燥温度分别为50、60、70℃时,其值分别为34.55%、37.23%、39.04%。2)在干燥温度为50、60、70℃时,红外联合热风干燥收缩模型可准确预测山药片干燥过程中干燥温度和含水率,其决定系数R²分别为0.973、0.976、0.981和0.983、0.984、0.974。3)山药片外部温度升高,表面水分开始蒸发,形成水分梯度。随着干燥的继续,红外热量在山药片内部不断积累,导致内部温度升高,水分向外扩散,进而减小了内外水分梯度。随着干燥温度的升高,增加了山药片温度和湿度梯度,促进了热量和质量的传递,提高了水分迁移的速率。4)在60℃时,干燥品质最优,其色差为7.49、复水比为2.65 kg/kg、多糖含量为24.17 mg/g、尿囊素含量为2.66μg/g。该模型为其他物料在红外联合热风干燥技术的模拟研究提供有益借鉴。     

枸杞真空冷冻干燥动力学的数值模拟及分析

为探究枸杞真空冷冻干燥过程中的热质迁移,克服应力应变现象不能直观获取的问题。该研究通过对鲜枸杞切片试验图像二值化处理,建立了鲜枸杞真空冷冻干燥的热-质-结构耦合的物理模型,对真空冷冻干燥过程中枸杞温度变化、水分变化以及其内部的应力应变进行了热-质-力耦合分析,并对分析结果进行试验验证。模拟分析结果表明,预冻结过程中,细胞始终在膨胀,当细胞完全冻结时细胞所受应力达到最大,而干燥阶段热质传递对应力影响较小。提高真空冷冻干燥过程中的升温速率,在一定程度上能够缩短冻干所需时间,并且真空冷冻干燥过程中的枸杞样本的含水率下降速率随干燥时间的增大而减小,该变化趋势与Wang and Singh模型更加贴合（R2为0.983）。同时试验验证结果表明,该研究建立的模型能够较好反映并预测真空冷冻干燥过程枸杞样本的温度及应力应变的变化趋势（R2为0.857）。研究结果可为真空冷冻干燥系统优化和工艺参数的科学制定提供参考。     

油茶果热风干燥爆蒲后茶籽传热传质特性及干燥工艺优化

为深入挖掘油茶果热风干燥爆蒲后茶籽内部水分和温度变化规律,找到一种低耗、高效的干燥工艺参数,该研究通过试验测定了油茶籽导热系数、密度等物性参数,计算得出油茶籽有效水分扩散系数的Arrhenius关系式,引入传热传质的数学建模理念建立了油茶籽传热传质模型,模型预测值与试验数据吻合较好,最大误差不超过8.5%。基于上述模型,研究了油茶籽的变温干燥工艺,经过响应面优化后的干燥参数为前期风温63.7 ℃、水分转换点38.5%、后期风温74.8 ℃,在此干燥条件下,单位能耗为5.040 kJ/g,干燥速率为0.048 g/(g·h),与试验指标的回归模型预测结果相比,其相对误差分别为7.4%和12.1 %。该研究提出的干燥工艺参数可为油茶果干燥爆蒲方法的产业化推广提供理论依据和应用参考。     

发酵柑桔皮渣流化干燥传热传质分析

为了开发高效合理的柑桔皮渣发酵—干燥成套设备,需要进行发酵柑桔皮渣的干燥机理分析、传热传质的研究。该文采用流化干燥方法对发酵柑桔皮渣的干燥进行试验研究,建立了小型的流化床干燥试验台,分析了风速、颗粒粒径、初始含水率等对发酵柑桔皮渣流化干燥过程中传热传质的影响。试验表明：流化床的传热传质性能与流体的物理性质、操作参数、颗粒本身的物理性质以及流化床的特性密切相关。试验结果表明,传热系数沿流化床床高增加而减小,在床高4～6 cm之间,传热系数减小的幅度较大;在风速、颗粒粒径、初始含水率3个影响因素中,风速对传热系数的影响最大,当风速从2.06 m/s增大到2.75 m/s时,床高2～4 cm区域的平均局部传热系数增大了近92%。根据试验结果建立了传热传质数学模型并获得了传热无因次准则方程式,为强化传热传质以提高干燥效果提供了理论依据。     

紫花苜蓿茎秆在常压热风干燥中的传质模拟研究

根据斐克定律和质量守恒原理,建立了可以预测干燥过程中苜蓿茎秆内部水分分布的常压热风干燥的传质数学模型。通过对扩散模型边界条件的处理,结合紫花苜蓿茎秆内部水分扩散的干燥试验结果,采用数值模拟方法确定了干燥苜蓿茎秆的传质系数。结果表明,干燥苜蓿样本的含水率与模拟分析含水率的决定系数为R²=0.927,模拟分析具有较高的准确度。在此基础上进行的苜蓿茎秆内部水分分布的模拟计算保证了与苜蓿非稳态干燥过程的一致性。     

干燥物系的特征函数及其理论解

干燥现象是物系对应外部约束条件的自发过程,是各种因素同时作用的结果.多种传递行为并存,得不到严格意义的传递系数的数学解.基于扩散动力学建立的干燥机理函数,又存在活化能、指前因子和过程指数难以定量等问题.如何获得干燥过程的理论解是长期以来干燥研究领域的重要命题.该研究以水分活度统一特征,以自由能传递和转换为统一尺度,建立...     

超临界CO2干燥罗非鱼片的传质模型和数值模拟

为了探讨超临界CO2干燥罗非鱼的机理,该文基于微分床的质量守恒定律建立了超临界CO2干燥罗非鱼片的传质数学模型,通过Matlab软件对其干燥过程进行了数值模拟,分析了干燥室内超临界CO2中的溶质质量分数和罗非鱼片中的溶质质量分数随干燥时间和干燥床高度变化的规律,揭示溶质在超临界CO2干燥过程中的传质模式。结果表明:在超临界CO2干燥罗非鱼片的过程中,溶质传质主要以对流扩散为主,而以轴向扩散为辅;数值模拟的结果与试验值拟合良好(R2=0.97),相对偏差的绝对值在10%以内,说明建立的传质数学模型能较好的模拟超临界CO2干燥罗非鱼片的过程。研究结果可为超临界CO2干制罗非鱼片的工业化生产的过程控制提供参考。     

恒温下相对湿度对果蔬热风干燥特性和品质的影响及调控

相对湿度作为干燥介质的重要参数,对干燥热质传质过程和干燥品质具有显著影响。但由于相对湿度对干燥过程的影响机理及优化调控机制尚不明确,导致相对湿度的调控方式多依靠经验,造成干燥效率低、品质差、能耗高等问题。对于传质过程,降低相对湿度能够增大对流传质系数,加快物料表面水分蒸发;而对于传热过程,升高相对湿度能够增大对流传热系数,加快物料升温速率。相对湿度较高时,物料升温速率快,内部水分迁移量增大,但表面水分蒸发量较小;而当相对湿度较低时,物料升温速率较慢,内部水分迁移量较小,但表面水分蒸发量较大。相对传热和传质过程的影响此消彼长,互相耦合。高相对湿度主要体现为对传热过程的影响,低相对湿度主要体现为对传质过程的影响。高相对湿度能够抑制物料表面的结壳,并能够提高复水性,降低收缩率。阶段降湿及多阶段降湿干燥方式下物料表面形成和保持了蜂窝状多孔结构,能够提高干燥效率和品质。基于监测物料温度的相对湿度调控方式被验证为较忧的相对湿度控制方式。阶段降湿干燥方式适用性的实质为：干燥过程中所体现出的对流传热热阻和内部导热热阻的相对大小,及对流传质阻力和内部传质阻力的相对大小,不同干燥条件和物料种类、厚度会影响以上传热传质阻力的大小,从而呈现出不同适应性的结果。当阶段降湿干燥过程中传热毕渥数>1且传热毕渥数>0.1时,说明阶段降湿干燥过程适用于此物料的干燥。该文综合论述了相对湿度对果蔬热风干燥过程中热质传递及干燥品质的影响,优化调控策略及适用性范围4个方面内容,明确了果蔬热风干燥过程中相对湿度的影响机理,为相对湿度的优化调控提供理论依据和技术支持。     

开放式太阳能物料干燥热湿迁移模型的构建及验证

基于开放式太阳能物料干燥过程中存在干燥品质不可控、随机性较大的问题。根据传热传质理论知识,建立开放式太阳能物料干燥热湿迁移预测模型,在综合考虑太阳能辐射、室外空气温湿度、室外风速等影响因素的基础上,对模型中的参数进行选择,并利用MATLAB软件编制求解程序,该模型能够预测出干燥过程中物料表面的温度及水分迁移速率变化。为验证模型的准确性,以红薯为干燥物料对其开放式太阳能干燥过程进行试验测试。结果表明：物料表面温度、水分迁移速率的模拟值与试验值之间的决定系数分别为0.96、0.89,均方根误差分别为0.97 ℃、28.35 g,其相关性程度较高,说明该模型能够较准确预测开放式太阳能物料干燥过程中物料表面温度及水分迁移速率,可以用于开放式太阳能干燥的工艺控制。     

间接加热式列管回转干燥机传热系数模型构建

传热系数是列管回转干燥机设计和热工计算所必须的至关重要的设计参数之一,其精度的高低决定了干燥机尺寸、结构设计以及操作参数的合理性。目前还没有一种能够确切描述其加热管与物料颗粒传热过程的可靠而实用的传热模型。该文在对列管回转干燥机传热机理分析的基础上,提出了列管与颗粒间换热的基本构成为：列管管壁与气体介质间对流、气体介质与颗粒间的导热以及列管管壁与颗粒间的辐射换热;通过对列管回转干燥机内料层膨胀的试验研究,分析了颗粒对列管气膜边界层的影响;在此基础上,建立了预测列管外壁与颗粒间总传热系数的数学模型,并以2 mm直径的陶瓷球为物料,在6个转速条件下测量了管壁与颗粒间的换热系数,对模型进行验证;试验结果表明,模型预测的误差小于13%,可满足工程计算的精度要求。研究结果可为列管回转干燥机传热机理的深入研究提供参考。     

基于层状甘露醇的常压冷冻干燥数值分析

常压冷冻干燥较传统真空冷冻干燥省去提供真空环境的装置,在节省能耗的同时可得到高质量的脱水产品,但所需干燥时间长。为探究常压冷冻干燥过程的动力学以及热质传递,克服常压冷冻干燥时间较长的问题。该研究将描述外部压力场的Navier–Stokes方程引入解吸-升华模型,建立了隧道内层状物料的常压冷冻干燥模型,利用数值模拟软件COMSOL Multiphysics 6.1求解干燥过程中物料水分比、干燥时间、干燥速率以及热质阻力的变化。模型计算物料水分比与已有文献试验结果的偏差为±10%,验证了模型可行性。通过模型计算不同物料厚度（3～11 mm）、平均孔隙直径（2.0～6.0 μm）、干燥空气温度（263.15～273.15 K）、干燥空气流速（1.0～3.0 m/s）的常压冷冻干燥过程,结果表明：干燥时间随物料厚度减小、干燥空气温度增加而缩短。干燥空气流速和平均孔隙率变化影响不明显;内部热质阻力随水分比降低而线性增加并超过外部热质阻力,外部热质阻力随水分比降低而减小。热质阻力变化对比可知常压冷冻干燥过程由外部传热传质主导向内部传热传质主导转变。内外热质阻力随物料厚度的减小显著减小。该研究明确了不同干燥工况参数对常压冷冻干燥时间的影响趋势,为优化常压冷冻干燥工况提供指导。     

日光温室冷凝除湿系统用蒸发器强化传热数值分析

为提高日光温室冷凝除湿系统中蒸发器的综合换热性能,将三角翼型涡发生器强化传热技术引入到蒸发器中。该文针对平直肋片管翅式蒸发器和加装三角翼型涡发生器肋片管翅式蒸发器的热质传递与阻力性能,建立了这2种蒸发器的三维传热模型,运用平均努塞尔数、阻力系数、析湿量、肋片效率及强化传热因子等评价参数,对不同除湿工况下2种蒸发器的传热传质及阻力特性进行了对比分析。结果表明,涡发生器下游的空气通道两侧肋片表面凝结液主要分布于纵向涡流边界以外,边界形状分别呈条带状和椭球状;涡发生器降低凝结液尺寸和脱落直径的同时使蒸发器的析湿量平均增长了50.79%,增强了蒸发器排液能力和除湿能力;涡发生器使蒸发器肋片效率平均提高了2.00%,并将蒸发器空气侧平均努塞尔数平均提升了25.45%,强化传热因子平均提升了9.61%,但阻力系数平均增长了51.70%;在空气相对湿度高于70%的除湿工况下,蒸发器的入口空气流速推荐值取2 m/s。该研究可为日光温室冷凝除湿系统蒸发器的结构优化设计提供参考。     

基于低场核磁共振的热风干燥猕猴桃切片含水率预测模型

为研究猕猴桃切片热风干燥过程中水分迁移规律,该试验通过对猕猴桃切片进行热风干燥,考察不同干燥温度（70、80、90 ℃）、切片厚度（3、4、5 mm）下的干燥特性。试验采用直接干燥法测定含水率,运用低场核磁共振技术（Low-Field Nuclear Magnetic Resonance,LF-NMR）分析热风干燥过程中猕猴桃切片内部水分分布状态与变化规律,建立动力学模型,验证并预测。结果表明：猕猴桃切片热风干燥开始为外部控制,随后属于内部扩散控制,水分有效扩散系数范围为1.58×10-7～4.18×10-7 m2/s,扩散效率随温度升高而增大。升高温度能显著提高猕猴桃干燥速率,可加快结合水、不易流动水以及自由水的迁移。自由水和结合水先于不易流动水发生变化,自由水含量在干燥前期逐渐下降,此过程中不易流动水和结合水含量均表现为先升高后降低的趋势。当自由水被脱除后,不易流动水和结合水含量依次达到最大值;此后,随着干燥的进行,不易流动水逐渐被脱除,此时结合水含量开始下降直至干燥结束。整个干燥过程中,猕猴桃切片部分自由水先转化为不易流动水和结合水,结合水与不易流动水相互转化,循环往复伴随整个干燥过程。以干燥过程中的自由水、结合水、不易流动水的核磁峰值总和、切片厚度和干燥温度为自变量,猕猴桃切片含水率为因变量,进行多元线性回归分析,建立含水率预测模型,模型的拟合优度为0.982。结果表明,低场核磁共振技术结合数学模型可用于描述猕猴桃切片热风干燥过程,可实现对猕猴桃切片干燥过程中含水率的快速、无损检测,研究结果可为猕猴桃热风干燥工艺和过程设计提供理论依据。     

油菜籽流化床恒速干燥传热传质特性及模型研究

在油菜籽干燥过程中,干燥工艺(热空气温度、速度和油菜籽初始含水率)主要影响着恒速干燥阶段的传热、传质系数,为此该文基于恒速干燥阶段,借助流化床干燥试验装置,试验分析了油菜籽初始含水率、热空气温度、热空气流速对油菜籽流化床干燥对流传热、传质系数的影响,结果表明:各影响因素的敏感性主次顺序为油菜籽初始含水率热空气温度热空气流速,其中油菜籽初始含水率为29.72%的对流传热、传质系数约为含水率14.41%的1.9倍,2.25 m/s热空气流速的对流传热、传质系数约为1.75 m/s的1.2倍,65℃热空气温度的对流传热、传质系数分别约为45℃的1.2倍和1.4倍。为此,以对流传热、传质系数为性能指标,根据Box-Behnken试验设计原理,应用Design-Expert 8.0.6软件,建立了影响因子与性能指标的回归模型,通过验证发现对流传热、传质系数两个模型预测值与试验值的最大相对误差仅为4.83%和4.79%,表明该两个回归模型拟合度较好,可靠性较高。研究结果可为强化传热传质提高油菜籽流化床干燥效率提供理论依据,同时也为生产工艺条件选择和干燥设备设计提供理论支撑。     

马铃薯薄壁细胞组织一维等温干燥模型

为真实描述植物薄壁细胞物料干燥过程的水分传输机理,该文基于组织生理结构、微观参数测量技术和细胞结构变化,提出了适用于整个低温对流干燥过程的薄壁细胞组织模型。模型假设组织由细胞聚集而成,细胞由细胞壁、细胞膜和细胞腔模型溶液组成。细胞壁中的水分为纯水,干燥过程中细胞壁仅变形,不收缩;细胞膜为理想半透膜,集总了真实细胞内所有的跨膜渗透效应;模型溶液中的水分扩散则代表了真实细胞内部所有的扩散效应;干燥过程中,细胞膜始终紧贴细胞壁,细胞失去膨压后,塌陷收缩。基于组合参数传输模型建模方法构建了考虑细胞和收缩的一维传质模型。模型中细胞尺度的水分传输为局部水势平衡假设下的细胞腔到细胞腔、细胞壁网络和细胞气相间隙传输,宏观传递系数直接由细胞传输特性推演获得。模拟和试验表明:平均干基含水率不低于1.0 kg/kg时,模型可准确预测马铃薯组织的干燥过程,相对误差不超过20%。模型分析揭示:马铃薯组织干燥过程水分传输途径的优先级为细胞腔到细胞腔细胞壁网络细胞间隙。     

过热蒸汽干燥凝结段的干燥动力学特性

为了深入了解过热蒸汽干燥过程的机理,进而优化干燥操作,开展了褐煤热空气干燥和过热蒸汽干燥对比试验,结果表明:在过热蒸汽干燥的初始阶段存在明显的蒸汽凝结现象,其干燥动力学特性与热空气干燥存在明显不同。通过对过热蒸汽干燥动力学过程的理论分析,研究了过热蒸汽凝结对干燥过程初始阶段的影响。在热空气干燥过程数学模型的基础上,结合过热蒸汽的凝结现象,对过热蒸汽干燥的数学模型进行了改进。经试验结果验证,改进的数学模型具有很好的拟合精度,决定系数大于0.97。研究为优化干燥设备设计和操作条件提供了依据。