饱水文物一次干燥过程的数值模拟

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)浙江大学制冷与低温研究所 作者:张绍志

  冷冻干燥是一种很好的保存出土的饱水文物的方法,因为它能有效防止收缩、开裂、断裂等现象的发生。本文建立了采用辐射加热方式的文物一次干燥过程的物理模型,并用有限元计算软件进行了数值模拟,探讨了文物的形状、尺寸、辐射板温度等因素对干燥时间的影响。利用一定条件下的计算结果,对在一次干燥期间可能出现的最高温度与加热温度、干燥箱内壁温度的关系进行了回归。

  冷冻干燥通过将水冻成冰然后在真空中升华的方式除去物料中水分。与其它干燥方式相比,冷冻干燥法具有很多优点,如能保持物料的初始形状,已经在药品、名贵食品、保健品生产中获得广泛应用,并在超细粉体制造领域崭露头角。文物是一个国家历史的见证,我国在近年来的大规模建设使得出土的待保护的文物不断增多。出土的文物一般都富含水分,在进行长期保存前必须进行脱水干燥处理。干燥后用于陈列的文物应轻度或无收缩、无断裂、无颜色改变,这对干燥过程提出了很高的要求。目前研究较多的干燥方法有自然干燥法、热空气干燥法、连续真空干燥法及冷冻干燥法等,热空气干燥法和真空干燥法由于本身的局限性很容易引起文物的收缩和开裂,自然干燥法从浸渍到完全干燥需要花费很长的时间。冷冻干燥法能有效地防止干燥过程中的收缩、开裂、断裂等现象,干燥后文物的三维稳定性较好,是一种值得推荐的快速干燥方法。

  使用冷冻干燥法处理文物的缺点是需要昂贵的冻干设备。此外,饱水文物的冷冻干燥工艺还是值得研究的课题。对于食品、药品的冻干,其工艺的制定与冻干过程的传热传质机理有关。程江等建立了一维的食品辐射传热冷冻干燥的数学模型,在假设干燥层内的温度分布为线性的情况下得到了解析解。陈孟林等建立了二维的瓶装物料的冻干模型,对瓶壁导热的影响进行了分析。邹惠芬等建立了二维的眼角膜的冻干模型,研究了冻干时间与冻干室压力、升华界面温度的关系。BrU¨lls 等建立轴对称的瓶装物料的冻干模型,对瓶底弧度、瓶子热容、瓶子在搁板上位置的影响进行了研究。与食品、药品等物料相比,饱水文物具有以下不同点:

  ①形状不规则;

  ②体积一般较大,且不可分割;

  ③需用较高浓度的保护剂(如50%的PEG)做前处理,这些不同点使得文物冻干过程的传热和传质具有自己的特点。

  目前,国内外针对饱水文物的冷冻干燥过程本身开展的研究仍很少。Jensen P. & Jensen J.B 于2006年建立了一个一维的通过导热方式提供热量的文物一次干燥过程的数学物理模型,并利用实验数据拟合得到了相关的传热和传质系数。

  浙江省博物馆在省科技厅资助下建立了一套大型的冷冻干燥装置,以辐射供热方式来进行出土木质文物的冻干。由于文物具有稀缺的特点,使得以文物为样本进行的实验越少越好。为达此目的,本文将建立一个两维的通过辐射方式提供热量的一次干燥过程的数学物理模型,通过数值方法对该过程进行研究,为更好地开展实验工作提供参考。

1、物理模型

干燥箱里辐射加热板及文物木头的布置

图1 干燥箱里辐射加热板及文物木头的布置

  图1 给除了三种典型形状的文物木头在干燥箱里的布置方式,辐射板通过热辐射为干燥过程的持续进行提供热量。

  一次干燥过程的数学物理描述参考非稳态的升华界面连续移动模型。假设:

  ①在二维截面上冷冻区和干燥区的木头看作是均质的,各向同性;

  ②冷冻区和干燥区有明确的分界,即升华界面,在该面上冰和水蒸气处于相平衡状态;

  ③木头表面是灰体,忽略木头表面与真空中分子之间的换热;

  ④辐射板表面是灰体;

  ⑤干燥过程中体积不发生变化;

  ⑥忽略木头表面传质阻力,即认为木头表面水蒸气分压为一定值。描述干燥过程的方程有:

3、结论

  本文进行了辐射加热方式下文物冷冻干燥过程的数值模拟,对影响干燥进程的若干因素的分析表明:

  ①文物的尺寸有明显影响,对于圆形截面文物,干燥时间与直径指数关系;

  ②在截面积一样时,不形状的文物由于表面接受热辐射的面积不一样,干燥时间也会不同;

  ③冷冻干燥过程中可能出现的最高温度与辐射板温度及箱内壁温度有关,对于本文模拟的某不规则形状文物,这一关系近似线性。

  本文得到的结果将有助于木质文物冷冻干燥实验的设计及实验结果的解释。

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