（制冷及低温工程专业论文）冻干机冷阱盘管表面结霜特性的研究.pdf

摘要 真空冷冻干燥机中的冷阱主要是用来捕集从干燥室内升华出来的水蒸气，水蒸气流经 冷阱后直接凝华成霜而被抽除，因此也称其为水汽凝结器。冻干机冷阱工作在低温低压的 环境下，目前针对此种环境下的水蒸气的汽一固相变理论相当缺乏。其中冻干机冷阱室内 冷阱盘管的霜层的导热系数和密度在结霜过程中均为变量，是研究冻干机冷阱结霜特性中 的一个关键问题。本文中将霜层看作多孔介质，利用导热基本理论中的导热方程和传质方 程，建立冷阱结霜模型，并经过实验验证，得出冻干机冷阱盘管表面霜层的导热系数，有 利于冻干机冷阱的优化设计，具有一定的实用价值。本文的主要研究分为： ( 1 ) 本文基于冻干机冷阱工作压力不超过l o p a ，冷阱工作的环境为稀薄气体环境，对 处于稀薄气体环境中的冷阱对流换热进行了分析，得出随着真空度的增加，n u 基本上在 急剧的下降，对流现象直至可以忽略。在此基础上，采用多孔介质理论，在传热传质基本 方程的基础上建立了冷阱结霜模型，并对该数学模型进行求解。 ( 2 ) 本文对冻干机冷阱中的结褥特性进行了实验研究。实验中采用动压测量法测量移动 的升华界面温度，通过数据回归分析，求得冻于物料的升华速率。假设干燥室内升华出来 的水蒸气全部在冷阱盘管表面凝华结霜，将干燥室内升华的水蒸气与冷阱盘管表面凝华结 霜相结合，采用能量守恒，并通过对霜层温度分布的研究，求解霜层的导热系数。实验研 究表明，冷阱室内的压力在十几p a 左右时，霜层的导热系数在0 1 5 w m k o 3 5 w m k 范围内波动，其值约为常压下霜层导热系数的1 4 1 2 。 ( 3 ) 实验过程中，冷阱室内的气流组织对冷阱盘管表面结霜的均匀性影响很大。本文 以已有的真空冷冻干燥实验台为例，对冷阱室内的气流组织进行模拟，以期改善冷阱结霜 的均匀性。 关键词：真空冷冻干燥冷阱结霜导热系数 c o l d - t r a pw h i c hi sa l s oc a l l e dv a p o r - c o n d e n s e ri nv a c u u mf r e e z i n gd r y e ri sm o s t l yu s e dt o c a t c hv a p o rt h a ti ss u b l i m e df r o md r y i n gc h a m b e f t h ev a p o ri ss u b l i m a t e di n t of r o s td i r e c t l y w h e ni tp a s s e st h r o u g ht h ec o l d - t r a pa n dt h e nt a k e no u t t h ec o l d - t r a pi nv a c u u mf r e e z i n gd r y e r w o r k su n d e rt h ec o n d i t i o no fl o w t e m p e r a t u r ea n dl o wp r e s s u r e a i m i n ga tt h ec o n d i t i o n ，t h e r e i sl i t t l et h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nv a p o r - s o l i dp h a s ec h a n g i n go f w a t e r i nc o l d t r a po ff r e e z ed r y e r , t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dd e n s i t yo ff r o s t l a y e ri nc o i lp i p ea r ev a r i a b l e t h e r ei sak e y q u e s t i o nt or e s e a r c ht h ec h a r a c t e ro ff r o s t - - l a y e ri nf r e e z e - d r y e r f r o s t - l a y e ri sc o n s i d e r e da s p o r o u sm e d i u mi nt h i sa r t i c l e u s i n gb a s i ct h e o r yo fh e a tc o n d u c t i o na n de q u a t i o no fm a s s t r a n s f e r , t h ef r o s tm o d e lo fc o l d - t r a p i se s t a b l i s h e d b yt h e s ee x p e r i m e n t s ，t h et h e r m a l c o n d u c t i v i t yu n d e rt h ec o n d i t i o no ff r e e z e - d r yc a l lb eg o t t h a ti sn o to n l yu s e f u lt oo p t i m u m d e s i g no fc o l d - t r a pi nf r e e z e d r y e rb u ta l s oh a sp r a c t i c a lv a l u e t h er e s e a r c hi nt h i sa r t i c l eh a s t h r e ep a r t s ： ( 1 ) b e c a u s et h ep r e s s u r et h a tc o l d - t r a pw o r k si nf r e e z e d r y e ri sn o ta b o v el o p a , t h e c o n d i t i o nt h a tc o l d t r a pw o r k si sr a r eg a s a n a l y z i n gh e a tc o n v e c t i o no fc o l d t r a p ，n ub e g i n s f a l l i n gq u i c k l ya st h ed e g r e eo fv a c u u mi n c r e a s eu n t i lt h ec o n v e c t i o nc a nb ei g n o r e d u s i n gt h e t h e o r yo fp o r o u sm e d i u m ，b a s e do nt h ee q u a t i o no fh e a tt r a n s f e ra n dm a s st r a n s f e r , t h ef r o s t m o d e lo fc o l d t r a pi se s t a b l i s h e da n ds o l v e d ( 2 ) t h ec h a r a c t e ro ff r o s t l a y e ri nf r e e z e d r y e ri sr e s e a r c h e di nt h i sa r t i c l e u s i n gt h e m e t h o do fd y n a m i cp r e s s u r e ，t h et e m p e r a t u r eo fs u b l i m e di n t e r f a c i a li sm e a s u r e d b ym e a n so f r e g r e s s i o na n a l y s i s ，t h e nt h es u b l i m e dv e l o c i t yo ff r e e z e d r i e dm a t e r i a lw i l lb eg o t v i a r e s e a r c h i n gt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ff r o s tl a y e r ，s u p p o s i n gs u b l i m e dv a p o rf r o md r y i n g c h a m b e ri ss u b l i m a t e di n t of r o s te n t i r e l yo nt h es u r f a c eo fc o i lp i p eo fc o l d t r a pa n dt h e n c o m b i n et h e m t o g e t h e r , m e a n w h i l e ，b ya d o p t i n g c o n s e r v a t i o no f e n e r g y , t h e t h e r m a l c o n d u c t i v i t yo ff r o s tl a y e rw i l lb eg o t e x p e r i m e n ti n d i c a t e st h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo ff r o s t l a y e r sr a n g e i so 1 5w m - k 0 3 5w m k w h i c hi s1 4 1 2t i m e so ft h e r m a l c o n d u c t i v i t yo ff r o s tl a y e ru n d e rt h ep r e s s u r eo f1 0 p ai nc o l d t r a p ( 3 ) d u r i n ge x p e d m e n t ，t h ea i r - f l o wo r g a n i z a t i o ni nc o l d - t r a pi sm a i nf a c t o rf o rf r o s t s u n i f o r m i t y a c c o r d i n gt o t h em o d e lo fe x p e r i m e n tt a b l e ，t h ep u r p o s eo fs i m u l a t i n ga i r - f l o w o r g a n i z a t i o ni nc o l d t r a pi st oi m p r o v et h eu n i f o r m i t yo ff r o s ti nt h i sa r t i c l e k e yw o r d ：v a c u u mf r e e z ed r y i n g ，c o l d t r a p ，f r o s t ，t h e r m a lc o n d u c t i v i t y 主要符号表 主要符号表 名称 物辩的升华速率 在霜层表面凝华的分子质量流率 扩散进入到霜层中的气体质量流率 霜层冷表面的温度 冷阱盘管壁面温度 冻干室内气体的温度 霜层密度 水蒸气的密度 霜层的导热系数 气体分子的扩散系数 水蒸气的凝华潜热 霜层的传热面积 通用气体常数 单位时间真空泄露与供热使压力总回升率 霜层厚度 凝结系数 水的分子量 时间 压力 单位 g s 七g m 2 s 堙m 2 s 足 k k k g m 3 堍f w m k i n 魄 k j k g i n - k j k m 0 1 k p a s m m 1 8 k g k m o l s p a 钢m t 耳所 成 a d 4 r，d口盯，p 发表的论文 硕士期间发表的论文 【1 】苗玉涛，邹同华，黄健单体球形果蔬压差预冷过程的简化数学模型及其实验验i i e j 食品研究s 开发2 0 0 6 2 7 匕秘：1 6 4 - 1 6 7 【2 】苗玉涛，邹同华，黄健压差预冷技术的研究现状与发展趋势【j 】砌殄空调与劬祝匆最 2 0 0 5 ，2 6 ( 6 ) ：1 4 1 8 3 邹同华，孙颖，苏树强，苗玉涛，刘峻动压测量技术在真空冷冻干燥过程中的应用 j 农业扔蒯嬲( 已录用) 关于论文使用授权的说明 本人完全了解天津商业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印 件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 签名： 第一章前言 1 1 课题背景 第一章前言 冻干技术大约出现在1 8 1 1 年，当时主要用于生物体的脱水。1 8 1 3 年美国人w h 沃拉斯 顿( w o l l a s t o n ) 发现水的饱和蒸汽压与水的温度有关：在真空低温条件下，水容易汽化， 水在汽化时将导致温度的降低。根据这一发现，沙克尔( s h a c k e l l ) 于1 9 0 9 年实验用冷冻干 燥的方法保存菌种、病毒和血清，取得较好的成果，使真空冷冻干燥技术得到了实际的应 用【”。冷冻干燥技术主要是在真空状态下，利用升华原理，使预先冻结的物料中的水分不 经过冰的融化直接以冰态升华为水蒸气而除去，从而获得干燥制品的技术。冷冻干燥产品 其产品与其他干燥方法相比具有明显的优点1 2 - 3 1 ：首先是在低温下干燥，故产品中的风味和 成分损失少；其次由于物料在生化干燥以前预先经过冻结，形成了稳定的固体骨架，当水 分升华后，固体骨架基本上保持不变，干燥后可以保持产品原有的形状和颜色；第三是复 水性能好，能够吸水还原为原来的鲜活状态；第四是脱水彻底保存期k ；第五是产品的经 济效益可观1 4 j 。 同时随着真空和低温技术的迅速发展，冷冻干燥技术的推广和应用有了较大的进步， 干燥制品从药品发展到了食品等其它行业，诸如烹饪行业、土特产品、饮料、特需食品、 方便食品和鲜花等1 4 1 。目前，世界上已有较大规模的真空冷冻干燥食品企业达到1 3 0 多家， 同时，真空冻干食品在欧美r 等国家也迅速流行。掘统计，美国和日本市场上出售的脱水 食品中冻于食品占t 4 0 以上。从其带来的经济效益看，国际市场上真空冻干食品的价格 是热风干燥食品的4 6 倍，是速冻食品的7 8 倍，经济效益十分可观1 5 1 。据有关专家预测， 本世纪的食品主要是方便食品、功能食品和保健食品1 6 j ，因此冻干技术将会有巨大的发展 前景。 1 1 1 真空冷冻干燥原理 真空冷冻干燥是先将湿物料冻结到共晶点温度以下，使水分变为固态的冰，然后在适 当的温度和真空度下，使物料中预先冻结的冰升华为水蒸气，再用真空系统中的冷阱( 水 汽凝结器) 将水蒸气冷凝，从而获得干燥制品的方法。 在整个冻干过程中实际上是冻千物料中水的物态变化和移动的过程。由于这种变化和 1 第一章前言 移动主要是发生在低温低压的环境下，从此可见，真空冷冻干燥的基本原理主要是在低温 低压下的传热传质的机理。 以纯水为例，真空冷冻干燥的实现过程如图1 - 1 所示。图中0 点为水的三相点，此 点的压力称为三相压力( o = 6 1 0 5p a ) ，相应的温度称为三相点温度。由图中可看出，当 系统中的压力低于6 1 0 p a 时，不论物料温度如何变化，水的液态都不复存在，这时如果对 冰进行适当的加热，冰只能越过液态而直接升华为气态。真空冷冻干燥的原理也是基于此。 由图1 1 可知，在实际的操作过程中，如果将物料中的水在低温下预先冻结成冰，然 后将其置于三相点温度以下的低温、低压条件下，并给予必需的升华热，物料中的水将以 冰的形态直接转化为水蒸气，在蒸气压力差和浓度差的推力的作用下排出，从而达到干燥 脱水的目的。 爰 - g 釜o 0 t 图1 1 纯水的三相点图 1 1 2 冻干技术中存在的问题 真空冻干产品虽然以其独特的优越性和良好的经济效益赢得了广大消费者和有意于 投资在该行业的投资者的承认，但是，冻干技术在其推广的过程中还存在着诸多问题。其 中最主要的则是冻干设备和冻干产品的价格高、耗能高、收回投资慢。因此，如何降低冻 干设备和冻干产品的价格，减少冻干机的能耗是今后研究冻干机的主要方向。 在真空冷冻干燥机中，水汽凝结器( 冷阱) 是专抽水蒸汽的低温冷凝部件，是冻干机 的重要组成部分，同时又是影响整个冻干过程能耗的重要因素之一。因此，有必要对冻干 机冷阱的性能进行改进，降低其制造成本和鋈行费用。在冻干机中冷阱的作用主要是捕集 从干燥室升华出来的水蒸汽，经过水汽凝结器水蒸汽直接从气态凝华成霜而被抽除。 众所周知，真空冷冻干燥的目的就是在真空和低温的条件下除去物料中的水分，而由 第一章前言 一般的真空泵组成的真空系统不能直接用来抽除干燥室中升华出来的水蒸气。假设冻干机 的工作真空度为1 3 3 p a ，升华的水蒸气量为6 0 k g j h ，如果不使用冷阱而是直接用罗茨泵或是 其它类型的机械泵去抽除，不难算出；1 9 水在1 3 3 p a 的压力下其水蒸气的体积接近1 0 0 0 l ， 抽除6 0 k g h 的水蒸气，要求真空系统的抽气量相当于6 x 1 0 7 l h ，需要抽速为6 0 0 l s 的真空泵 2 8 台【l l ，这对真空系统来说基本上是不现实的。所以冻干机中的水汽凝结器( 冷阱) 实际 上是专门捕集水蒸气的部件。因此，研究本课题符合生产实践的要求， 目前，从冻干机冷阱捕水的目的出发来研究冷阱冷壁面结霜机理的文献极少，大部分 的研究工作主要侧重在怎样防止设备冷壁面的结霜。但是，在冻干机工作过程中，研究冷 阱的目的主要是希望它能够以更快的速度结更多的霜。而且从换热器的角度研究气固相变 换热器的文章也很少，到目前为止可供参考的资料以日本的砂问良二和我国的姚爱如博士 的论文【7 j 为代表，国内研究较多的以大连海事大学为代表，但是大部分工作还停留在气液 相变的研究阶段。因此，选择本课题具有现实意义和理论意义。 不断提高捕水器捕水效率，改进捕水器的性能，降低其制造成本和运行费用，节约能 源，提高我国冻干设备的实际水平和我国冻干设备的国产化能力，为节约外汇做出贡献， 同时为冻干技术在我国的推广和应用以及丰富我国人民的物质生活做出贡献，因此说本课 题的研究具有社会意义和经济意义。 1 2 文献综述 在真空冷冻干燥系统中，从冻于室中升华和解析出来的水蒸气进入冷阱室后，由于冷 阱冷壁面温度比较低，气体分子受到冷壁面的吸附作用而向低温表面扩散，与低温表面发 生碰撞并释放凝华潜热形成霜层而被抽除。 1 2 1 国内外真空冷冻发展概况 第一台冻干机的问世是在1 9 3 5 年。w j e l s e r 等在冻干机上采用了低温冷阱，从而改变 了用真空泵直接抽水蒸汽的方法；1 9 4 0 年冻干血浆开始进入市场。在英国，1 9 4 3 年制成并 使用大型冻干机。1 9 4 4 年w y c k o f f 和l o g c d i n 采用双管干冰冷阱，成为现在歧管式冻干机的 最早的原型。在日本，陆军军医中校内腾良一在1 9 3 9 1 9 4 3 年间进行了免疫补体、血清、 血浆、细菌和病毒等冻干研究，并于1 9 4 3 年将多歧管冻干机成功改造并制成箱式冻干机。 对食品的冻干研究始于1 9 3 0 年，f i o s d o r f 在实验室里进行了食品的冻干实验。1 9 3 4 年， 第一章前言 英国人k i d d 利用热泵原理冻干食品，并申报了专利。对食品冻干的系统研究始于2 0 世纪5 0 年代。英国食品部在1 9 5 0 1 9 6 0 研究成功加速冻干法( a f d ) 。2 0 世纪6 0 到7 0 年代国外对 食品冻干的研究最为活跃，仅1 9 6 6 年，美国就公布了3 6 项食品冻干的专利。 随着冻干技术应用的推广，对冻干理论和工艺的研究也逐渐兴旺起来。1 9 4 4 年， f i o s d o r f 出版了世界上第一部有关冷冻干燥的理论的专著。1 9 5 1 年和1 9 5 8 年先后在伦敦召 开了第一届和第二届以真空冷冻干燥为主题的专题讨论会。1 9 6 3 年美国最先制定了g m p ( g o o dm a n u f a c t o r i n gp r a c t i c e ) 冻干药品的生产标准。 有关描述真空冷冻干燥数学模型的研究方面，提出最早和应用最广的模型是s a n d l l 和 k i n g s l 的冰界面均匀向后移动模型( t h eu n i f o r m l yr e t r c a t i n gi c ef r o n tm o d e l ) ，简称u r l f 模型。为更接近实际情况，1 9 6 8 年，d z d y r e 和j e s u n d e f l a n g 又提出了准稳态模型 0 1 。第 三种模型是i j f c h i e l d 和i j a p i s 【1 0 】于1 9 7 9 年提出来的，称为解析一升华模型。 、冻干机真空系统的冷阱( 水汽凝结器) 是真空冷冻干燥设备的重要组成部分，同时又 是冻干机设计中的难点。它的特点主要是通导能力好，以备气体流动；水蒸气与冷阱盘管 外表面碰撞几率高，以使捕集水蒸气的效率高，而保护真空泵正常运转：冷阱捕水面积要 大，以保证设备有足够的捕水量；水汽凝结器捕水应均匀可靠，以提高捕水面积利用率。 同时水蒸气的凝华过程的传热传质的计算问题也是一个十分重要的问题。 冻干机的冷阱可分为两大类：一是管式换热形式，另一类是板式换热器结构。管式又 可分为盘管式( 用于小型装置) 和壳管式( 用于大型装置) 两种。板式又可分为平板和圆筒型 组合板，后者虽然结构复杂，但是冷凝效率高。 卜放水口2 一抽气口3 一冷阱盘管4 一简体5 一喷水口 图卜2 盘管式冷阱示意图 盘管式冻千机冷阱结构如图卜2 所示叭1 ：这是一种小型水汽凝结器，结构简单，制 4 第一章前言 作方便，造价低。但维修不便，属于不可拆结构。对于可拆结构就是在图卜2 中4 的简体 位置改为螺栓结构，这样就克服了维修不便的缺点。 1 2 2 真空冷冻干燥系统中冷阱的安放位置 冻干系统中冷阱的安装位置主要有两种：一种是安装在冻干室内，另一种是安装在冻 干室外，如图1 3 所示。前一种称为内置式冷阱，其优点主要为结构紧凑，占地面积小， 抽气阻力小，结霜比较均匀，不过一定要布置合理，否则容易形成热桥，热损失严重，冻 干箱内温差太大，捕水能力降低，冻干的时间增长。后一种布置方式称为外置式冷阱。其 特点主要是占地面积大、抽气阻力大，容易形成结霜不均匀，但热损失小，冻干箱内温 度均匀性不受冻干机冷阱的影响，可以提高干燥速率，降低冻干时间。 干燥室 = = 张室 女* 蓊要涎 菖i ：营仆丛 ”“、。、i 佃她 、j 卜：聃 器蓁霁 - 。口口口口口口o ， b 。o 口o o a 。 冷阱： 麓结管 ( a ) 内置式冷阱( b ) 外置式冷阱 图1 - 3 冷阱在冻干机内的相对位置示意图 1 2 3 冻干机冷阱结构方面的研究 文献 1 2 1 “1 3 0 0 通过研究后，发现冻干机用冷阱与真空预冷用冷阱有本质的区别，两 者的作用机理不同。真空预冷中的冷阱壁面温度较高，通常在0 9 c 左右，水蒸汽以凝结水 形式被捕集下来；而冻干机中的冷阱冷壁面温度较低，通常在3 0 ，水蒸汽以结霜的形式 被捕集下来。 文献【1 4 1 中指出，在冷阱设计时应该注意最佳捕水面积、最大捕水能力、汽固相变的 传热传质计算和捕水器表面最低温度、霜层表面温度变化、霜层厚度、气流速度等问题。 国内外建造数学物理模型求解冻干机冷阱捕水特性的理论研究较少，尤其是冻干机冷 阱工作在较低的压力下，水蒸气以一定流速掠过管路，水蒸气中含湿量在不断变化，这样 给建模求解增加了难度。 日本的砂问良二和姚爱如对冻干机冷阱的结霜问题作过研究”，冷阱虽然是换热器， 5 第一章前言 但管间距要大于普通换热器。这主要是由于结霜之后，不可凝性气体还要通过冷阱被真空 泵抽走。随着时间的增加，霜层厚度也在增加，永久性气体通过的面积则在减小，结构设 计时必须考虑到这种情况。管间距又不能太大，太大的管间距会使捕水器结构庞大，造价 增高。砂问良二和姚爱如给出了管间距的经验数值及影响因素。 东北大学的硕士研究生也做过冻干机冷阱管间距的计算工作n 卫，采用当量流动阻力法 确定管间距。遗憾的是，忽略了冷阱中折流板的作用。徐成海认为实际上冷阱折流板所在 的断面上，气流的阻力最大，是应该重点研究的部位。同时还应该注意到，在冷阱室入口 气流遇到的第一块折流板与接近出口处最后一块折流扳处所通过的气体量是不相等的，因 为有水蒸气的凝结，在冷阱中不能用气体量恒等关系来讨论问题。他推荐用变流导最小截 面法来校核管间距，并确定折流板的尺寸。 核工业西南物理研究院的高才n 卯，研究真空冻干机水汽凝结器c a d 系统。旨在通过开 发c a d 系统，寻求冻干机水汽凝结器的最佳结构参数。因为水汽凝结器的工作过程是一个 动态过程，很难用“静态的、集中的”参数描述。因此，以“动态的、分布的”及“参数 间定量藕合”的观点，以“微元法”建立数学模型，利用计算机辅助设计( c a d ) ，编制 出水汽凝结器的c a d 系统，从而实现仿真与优化。其结果是换热面积比传统方法所得结果 降低了3 0 - 4 0 ，耗冷量降低1 9 。设计结果表明：它为整台冻干机的节能奠定了基础， 有一定的参考价值。当然，不论采用什么研究手段，最终的结果要到实践中去检验。计算 机仿真的结果并不能代替最终的实验。关于水汽凝结器c a d 系统的研究工作刚刚开始，还 相当肤浅，许多工作还有待于细化和深入，离实用系统尚有差距。 1 2 4 冷阱冷壁面结霜问题的研究 目前来说，谈到对冻干机冷阱的研究离不开冷壁面结霜的问题。目前国外研究结霜的 文章可以分为以下3 种情况：第一是研究霜层的参数及特点，例如霜晶枝的结构、密度和 导热系数，这些是基础理论研究，这些研究对进一步研究霜层的导热和预测霜层的增长具 有十分重要的作用；第二种是研究几种几何表面上霜层的增长过程的特点，这几种几何表 面主要是指平面、圆柱面、平行面，通过模拟的方法来求解霜层厚度的变化规律和霜的形 成过程中的传热传质问题，属于应用研究；第三种主要是实验与测量的研究，实际上是用 来验证理论研究的各种方法h “9 1 。所有的这些研究工作的主要目的是怎样防止和延缓大气 压条件下冷壁面结霜的问题，与此处研究的冻干机冷阱冷壁面在真空条件下的结霜问题的 研究条件和目的不一样。 第一章前言 结霜问题的研究始终围绕着霜层内传热传质的研究。在霜层生长过程中，表面温度随 时间和空间位置发生变化，表面水蒸气分压力也随之变化，这将改变热边界层和扩散边界 层的结构，从而导致传热传质速率随时间和空间位置的变化。一般认为，主流湿空气传递 的水蒸气一部分在霜层表面凝华增加霜层厚度，导致边界移动，另一部分扩散进人霜层内 部，以增加霜层密度。 但是国内外研究汽固相变换热器的文章极少，在仅有的文献资料中也只是给出了研究 方向，没有给出研究的方法和结论。在研究方向中指出，对于低雷诺数换热器应研究它的 强化换热，优化设计，流道布置和表面选择等，并分别指出了研究这些问题的难度例。目 前可找到的具有代表性的研究冻干机冷阱的文章只有大型食品冻干机水汽凝结器的设计 及实验研究川。文中对凝结器中的水蒸汽的流动过程及结霜过程中的传热问题进行了理 论分析，并对凝结器表面积和凝结管间距对冻干机冷阱捕水能力的影响进行了理论分析和 实验研究，但对冻干机中水汽凝结器结构设计中的具体问题讨论较少。 l o o p e r l 2 1 j 采用准稳态的方法，对液氧容器表面的结霜问题进行了研究，应用水蒸气扩 散、导热、对流及辐射基本原理进行了传热传质等相关计算。这一方法成为日后研究者进 行理论研究的基本方法之一。这以后，主要采用非稳态的方法建立结霜过程的数学模型， 这些数学模型包括2 类：一类利用基本的传热传质关系式，主要有分子扩散模型、边界层 分析法和焓差分析法等，用此法建立模型是一个极为复杂的过程，推出的方程组属强烈非 线性；另一类则属于半经验法，利用质量平衡、能量平衡、状态方程结合霜层导热系数、 密度和水蒸气扩散系数等经验公式，所建立的模型一般比较简单。 t a o l 2 2 l 将多孔介质控制容积平均技术应用到模型中去，提高了模型求解的精确性。结 霜过程数值计算中，初始值的选择应提出更为明确的原则，为此，对结霜仞始阶段的研究 应该加强。 1 2 5 结霜过程中霜层物性方面的研究 结霜问题的重点是霜层物性的研究，其中两个最重要的参数是密度和导热系数。霜层 的物性是由结霜的环境条件所决定并与结霜过程的历史密切相关，它们随着霜层的生长而 连续变化。 文献e 1 6 、 2 3 3 、 2 4 中指出，霜层总密度随结霜过程的推进而增加，密度与时间大 致呈抛物线关系。霜层密度的变化本质上取决于霜层表面温度，在成霜过程中，霜的表面 温度随时都在变化。 第一章前言 h a y a s h i1 1 6 1 将霜的生长划为3 个时期，即晶体生长期、霜层生长期和霜层充分生长期。 每一时期霜层表面温度各不相同，表面温度逐渐升高，由此霜层密度也逐渐升高，密度沿 厚度方向是非定常的，霜表面处密度最大，而靠近冷表面处密度最小。 文献 2 6 中指出霜层密度不仅随时问而变，也随主流含湿量、冷却壁面温度、主流温 度、湿度等而变化：冷表面温度越低，形成霜层的密度越低；而主流含湿量和速度的增加 将引起密度的增加；在冷壁面的不同位置密度并不相同，上流密度大于下流。 t a o 和g a l l l 2 2 l 在其研究过程中分别给出了密度随时问和空间的变化的数学模型。 霜层导热系数主要取决于密度，但也取决于霜层的微观结构。它是霜层结构、霜层内 温度梯度引起水蒸气扩散及凝华潜热释放和霜表面粗糙度引起涡流效应相互作用的结果。 因此，导热系数的变化比密度更加复杂，要得到一个基于严密理论的关于导热系数和密度 的关系式是非常困难的。为从理论上探讨导热系数的变化规律，许多学者在进行实验研究 的同时分别提出了各自的霜层结构模型，但各有其特定的使用范围。 w o o d s i d e l z t l 认为霜是由均匀冰球在空气中形成的立方点阵并推导出霜层导热系数的 理论计算式，但是该模型过分简化了霜层的结构，也没有考虑到霜层内温度梯度引起的水 蒸气扩散，从其模型计算出的结果偏小。 h a y a s h i 1 6 幌出霜是由冰柱和冰一空气混合物两部分组成的，冰一空气混合物之结构为 w o o d s i d e 模型，霜层的导热由两部分并联而成，该模型结构与霜层充分生长期实验数据吻 合较好。但由于没有考虑结霜初期的涡流效应，与初期实验数掘相差较大。另外，模型中 涉及显微照相获得数据，限制了其实际应用价值。 b i g u r i a l 2 6 】推荐使用由冰树和湿空气两相组成的随机混合模型，但b r i a n i 冽发现在8 0 k 冷 壁温附近，霜层中晶体以球状晶体而不是以冰树的形式存在，b i g u r i a 的计算结果与b r i a n 的 实验结果相差甚远。 d i e t e n b e r g e r l 2 _ 7 】提出冰柱、冰球、冰层、空气泡为主要结构的基本假设，霜层的总体结 构为上述4 种结构的随机混合。霜层综合导热系数则由其混合模型计算的空气一冰有效导热 系数和水蒸气有效导热系数之和，由于其模型中复合了4 种基本结构并考虑了冷壁温度对 成霜的影响，该模型具有较大的适用范围。 以上结霜方面的研究都是在常压下的结霜，目前关于冻干机水汽凝结器中霜层物性方 面的研究，由于霜层的导热系数和密度在结霜过程中均为变量，国内外关于它们的变化规 律的研究极少。冻干机冷阱中冷壁面结霜过程中霜层的导热系数和密度是研究结霜过程的 一个难题。目前关于真空状态下冷壁面结霜过程中霜的导热系数和密度的研究极少，仅r 。a 8 第一章前言 费黑尔给出过关联式【1 1 j 。 东北大学的徐成海【1 l l 认为，在冷壁面结霜过程中，在霜的形成初期，霜层中的孔隙较 大，气体在其中扩散速度较低，霜层的密度变化较快，导热系数的变化也越快。在霜的形 成过程中，其表面温度升高，霜的导热系数越大，并且认为导热系数是一个逐渐增大的量， 且在结霜初期增长较快。 有关结霜过程中霜层的密度方面的研究，文献 1 q q ，指出，霜层的密度是一个与导热 系数有关的量，密度大时其导热系数也大，但它不仅与导热系数有关，文献中还指出冷壁 面的温度也是一个很重要的影响因素。冷壁面的温度不一样密度也不一样，国内设计人员 一般取7 0 0 9 0 0 k g ，m 3 ，冷壁面温度较高时取大一些，冷壁面温度低时取小一点。 文献【1 6 】中也指出，影响霜层结构的最重要的因素是冷壁面温度，影响霜层温度分布 的重要因素是冷壁面温度和霜层表面温度，即影响霜的密度的重要因素是冷壁面温度和霜 层表面的温度。 1 2 6 综述小结 目前，基于低温低压下冷壁面结霜问题的研究极少。大多数研究结霜问题的目的是怎 样防止和延缓冷壁面结霜。这与研究冻干机冷阱冷壁面结霜问题的目的不同。在冻干机系 统中，冷阱的作用主要是在冷阱室内尽可能多尽可能快的让从干燥室中升华出来的水蒸气 在冷阱冷壁面上凝华成霜而除去，同时也有效保护真空系统中真空泵。但是，目前缺少关 于冻干机中冷阱冷壁面结霜问题的传热传质模型，这也造成了低温低压下冻干机冷阱冷壁 面所结霜层的参数和特点等方面的资料十分缺少，同时也对研究冻干机冷阱冷壁面结霜问 题的传热传质问题带来了一定的难度。 冻干机用冷阱由于其置于真空低温的环境中，其表面的结霜问题目前还不能完全用理 论分析求解，而必须借助于实验研究。然而在实验过程中，被测参数的测量精度与实验的 成败具有至关重要的作用。到目静为止，实验过程中厚度测量方面主要是采用玻璃直尺测 厚和摄像测厚旺2 1 等方式。温度测量方面主要采用接触式测温法，大多是采用热电偶或者热 敏电阻。因而在测温过程中热电偶等可能会破坏其附近的霜层的结构，同时热电偶还会对 其附近的霜层具有加热作用，致使测量的精确度有所下降。在密度测量方面，主要采用排 水称重法：缺少精确度高的测量方法。 因此，探寻先进的测试方法和测量仪器对于研究低温低压下结霜现象具有十分重大的 意义，也是今后研究冻干机冷阱结霜问题的一个重要方向。 第一章前言 1 3 本课题的研究内容 本课题来源于实践中，因此它的任务最终还是要用来解决实践中的具体问题。目前实 践中存在的主要问题是对冻干机中水汽凝结器低温低压下结霜特性的研究很少。国内外对 于低温低压下冻干机冷阱结霜的参数和特点，如霜晶枝的结构、密度和导热系数等霜层物 性方面的资料很少，这对于研究冻千机冷阱的传热传质问题带来了难度。对于目前设计的 冻干机冷阱，由于缺乏这方面的参数，设计出来的水汽凝结器结构较大、造价较高、实用 性差、结构不合理，造成水汽凝结器结霜不均，冷阱捕水能力降低。为了解决水汽凝结器 设计中的这些问题，同时为了进行传热传质计算，有必要对冻干机冷阱结霜过程中霜层的 物性参数进行研究。因此，本课题的任务具体可分为以下几部分： 1 建立冻干机系统中冷阱结霜过程中的传热传质模型，并对数学模型进行求解。在 这个过程中，主要是对结霜过程中霜层的物性( 霜层的导热系数和密度) 进行求解和讨论。 2 以实验为手段，对冻干机冷阱冷壁面上的结霜特性，主要是霜层的导热系数进行 了研究。鉴于目前实验研究中测温方法中存在的缺陷，引入一种能够避免接触式测温元件 带来不利影响的非接触式测温方法一动压测量法。以此种方法来测量移动的升华界面的温 度，通过计算得到冻干物料的升华速率。假设升华出来的水蒸气全部凝华在冷阱表面，从 而得到冻干机冷阱表面的传热传质模型，以实验的方法得到霜层的导热系数。 3 实验中引入实时摄像法对冻干机冷阱表面结霜的全过程进行监控，分析并总结在冻 干机系统中霜层的生长规律。同时，利用模拟软件，对冻干机冷阱室内的气流组织进行模 拟。 4 根据实验结果分析，对现有的冻干机冷阱结构进行分析，总结冻干机系统中水汽凝 结器工作在低温低压的情况下，分析冷阱冷壁面所结霜的霜层的导热系数和霜层密度，对 现有的冻干机冷阱的设计指导提出新的思考。 第二章冻干机冷阱结霜特性的理论研究 第二章冻干机冷阱结霜特- 陛的理论研究 当真空冷冻干燥机的干燥室内升华出来的水蒸气流经冷阱室中的冷壁面时，由于冷阱 盘管冷壁面的温度低于水的冰点温度，因此，系统中的水蒸气在冷阱盘管表面凝华结霜而 被除去。霜层的存在将会增大冷表面的传热热阻，致使传热量下降；同时霜层在盘管壁面 不断累积造成水蒸气流通过程中压力损失增大，均不利于结霜过程的进行。因此，有必要 对冻干机冷阱室内冷阱冷壁面的结霜特性进行研究。 2 1 冷阱冷壁面结霜机理 在冻干机冷阱冷壁面的结霜过程中，通过冷壁面传导到霜层的冷量主要用来【2 2 l ：冷 阱室内的压力没有达到足够低压的情况下，在霜层表面与冷阱室内的水蒸气进行对流传 热；在霜层表面提供水蒸气凝华所需的冷量；与冷阱室内的水蒸气进行辐射换热以及为扩 散进入到霜层中的水蒸气凝华提供所需的冷量。 ，l 鬟r ：面 ；j ! 溽热换热! j j ，孙 ：0 。? 一+ 五：；| 强 嘉色芬囊薯 褒蠢。=纛簧鬻毫墨喜爱嚣 曩? z 曩季：嚣；萋：囊荔穆 ! 曩j r ，z ：，二：，j 固体( 冰晶体) 体( 湿空气) 气固相界面 水蒸汽扩散和气固相变 图2 一l 霜层生长的物理模型 幽2 - ；2 霜层内部结构示意图 图2 一l 和图2 2 显示的是冷阱冷壁面结霜的物理模型。在结霜过程中，水蒸气流经冷 阱冷壁面时，在浓度差的推动力下，水蒸气不断扩散到霜层。扩散进入到霜层的水蒸气， 一部分在霜层的壁面凝华，用来增加霜层的厚度；一部分扩散到霜层内部凝华，以用来增 力口霜层的密度。水蒸气在霜层表面和内部凝华的同时，释放出自身的凝华潜热，以用来和 冷阱盘管冷壁面进行热交换。 整个扩散过程中，随着冷阱室内的水蒸气不断的扩散到霜层的表面和内部凝华，不断 l l 第二章冻干机冷阱结霜特性的理论研究 增加霜层厚度和密度，导致霜层的结构致密，引起霜层导热系数变大。在这个过程中霜层 表面的温度也不断升高，对气体分子的捕集能力越来越小。因此，在冻干机冷阱壁面结霜 的过程中，不仅有热量的传递，而且还伴随着质量的传递，同时霜层的物性参数也是不断 变化的，因此是一个非稳态的传热传质同时进行的问题。 2 2 冻干机冷阱室中的换热分析 真空冷冻干燥机中的冷阱既是制冷系统的蒸发器，同时也是真空系统中的水汽凝结器 ( 俗称捕水器) 。它是集真空、传热与传质于一体的设备。由于冷阱中流动的气体通常处 于稀薄气体环境下，其流动和换热规律必然具有与常压下不同的特点。 在稀薄气体环境中，由于压力很低，气体的密度很小，分子间的距离与分子的定性尺 寸变成为可比较的数量级，分子结构此时也成为影响流动及换热机理的一个重要的因素。 在稀薄气体动力学中，常常引用无量纲参数克努森数砌( k n u d s e nn u m b e r ) 对气体的稀薄 程度进行划分，并且在研究稀薄气体的流动及换热时有着比较重要的作用。克努森数是分 子平均自由程九与气体流动的主要特征长度l z 比，它可以用马赫数和雷诺数来表示i 明。 k n ；立，卫丝 ( 2 1 ) ly2r e 式中：y 一定压比热与定容比热的比； 一气体分子平均自由程，m ； 工一气体流动的特征长度，m ； m a 一马赫数； 船一雷诺数； 根据气体稀薄程度的不同，以克努森数的特定范围作为细分的特征，把稀薄气体的流 动划分为几个不同的流动状态，参见表2 - 1 。 本文主要研究冷阱中气体的换热。从真空冷冻干燥箱中出来的含有水蒸汽的空气混合 气体，在温度差和压力梯度的驱动下流入冷阱室。冷阱中的冷量主要由冻干机冷阱室中的 圆柱型盘管组成的蒸发器提供，沿着盘管的轴向方向的温度几乎均匀一致。当混合气体进 入冷阱空白j 后由于温度骡降，水蒸汽在冷阱冷壁面发生汽固相变，在冷阱盘管的表面沉积 而结霜，从而水蒸汽在冷阱盘管表面以结霜的形式被捕集下来。在这个过程中，水蒸汽汽 固相变释放出来的热量被冷阱盘管中的制冷剂带走，而不凝性气体和冷阱内表面发生热交 1 2 第二章冻干机冷阱结霜特性的理论研究 换后夹带着极少量的水蒸汽被真空泵抽除。 表2 - 1 气体动力学流动区域的划分 - 实验研究中用到的冻干机真空空载真空度不大于5 p a ，冷阱盘管的外径为1 0 r a m 。冷 阱室中气体分子平均自由程可以近似地采用下面的计算公式： a ；3 1 x 1 0 - z 4 t ( 2 - 2 ) ；= _ 一 ， r 扩 式中：庐一气体分子直径，空气分子直径3 7 2 x l f f l o m ； 一气体分子平均自由程，m ； 卜冷阱室内气体的温度，k ； p - 冷阱室内气体的压力，p a ： 根据关系式( 2 2 ) ，利用v b 编程求解并且画出气体压力、温度和平均自由程的关系曲 线如图2 3 所示。 由图2 - 3 可以看出，压力对平均自由程的影响比温度对平均自由程的影响大得多，也 就是说冻干机系统稀薄气体环境中压力对克努森数的影响比温度大。 试验研究中，冻干机冷阱盘管的外径约为d = 1 0 m m ，正常工作时冷阱室内的气体压 力一般在1 0 p a 左右，而冷阱室中的温度大约为2 5 3 k ，水蒸气分子直径为3 2 0 1 0 。0 m ， 据克努森数的定义式计算得j 函为7 6 6 x l f f 2 ，也即冷阱内流动的气体常常处于滑流区( 即 兰三雯堡王塑堡堕堕重堑丝塑堡堡婴壅 1 0 3 k n 1 0 1 ) 。连续介质假说依旧成立，各传热方程仍然适用【2 7 l 。文献【3 1 】中主要分析 了处于这个区域中的冷阱内的气体换热。 024b8 1 0 1