升华过程中多孔介质内外传质相对作用研究.pdf

中国工程热物理年会 ．… 一 传热传质学 学术会议论文 编号：073036 升华过程中多孔介质内外传质相对作用宰 李奥1，何立群1，张海峰1，高大勇2 1．中国科学技术大学，热科学和能源工程系，合肥，230027 2．D印anment 98195，USA 电话： 055l·3607346，E眦il：hcliqun@llStc．cdu．∞ 摘要：建立一维非稳态的有限差分模型分析了冰在多孔介质中的升华过程。结果显示，升华时间随多 ／ 孔介质阻力增加而线性增加，说明蒸汽传输阻力主要发生在多孔介质内。结果也表明，多孔介质阻力 增加会提高界面温度，增加表面的水蒸气分压力，从而增加推动蒸气传输压力差，能减少升华时间。 关键词：升华，水蒸气，变界面 1．引言 在冰晶表面的蒸汽压低于三相点压力的条件下，样品中水分会直接从固态变为气态 而留下一个多孔介质，以保持样品内其它成分的结构【1-2】。这种干燥方式要求及时提供 冰晶升华所需的能量弗排走升华产生的水蒸汽。在真空腔内，这些能量只能来源于样品 与样品腔的接触导热或表面辐射换热，而蒸汽的排出则需要通过冷凝器凝冰和真空泵维 持低压来保证。若到达升华界面的能量小于升华所需的能量，则不足部分需要从界面附 近样品的内能中提取一部分进行补足，因而界面温度会降低；而若水蒸汽离开多孔介质 的速率小于水蒸汽升华速率，则在升华界面聚集多余的水蒸汽而导致蒸汽压力增高。这 也会使升华表面温度提高，当其升高一定程度时，样品内多孔结构会因融化而发生塌陷。 因此，多孔介质内冰晶界面的升华速率要与蒸汽排走的速率匹配。这一方面取决于提供 的能流率；另一方面取决于水蒸汽所穿过干燥层的阻力。本文采用一维非稳态模型对此 过程进行分析，着重考察多孔介质表面传质和干燥层传质相对作用对升华时间的影响。 2．数学模型． 计算区域如图l所示，其中：l|为冻结区，2为玻璃壁面，3为多孔介质，4表示多 孔介质外的冻干机室环境。zo为开始升华时的高度，k为试瓶底部气体空隙的折算 厚度。升华后，区域3形成并生长，根据文献【2】，多孔介质3中水蒸汽的传质速率为： ’国家自然科学基金资助研究50106016) 592 ． Ⅳ。=：寺沁‘+吐-a，】『 I j 11 帆和T分别为水分子的摩尔孕量和君华界面的绝对净度，＆为气体常数。毛，如分 毪 别为体积扩散系数和自扩散系数。 图1多孔介质内冰晶升华过程中横截面的示意图 图2网格划分示意图 假定水蒸汽与多孔介质骨架之间处于热平衡且对流传质与扩散传质相比是很小，则 多孔介质内流量_：^0可近似为 一 ’0j-。 ?弩参1．I：!VP。：i． 1’r 0，?’『』，，，-．i’，一 。 虬在各个截面相等；且在多孔介质内窖间温度分布比较均匀(一艘波动范围为 10K)，因此可以假定压降均匀，即 吼=韭粤 其中，见。为多孔介质上表面的水蒸汽压力，，为升华表面到多孔介质上表面的距离。 在多孔介质内以及多孔介质表面各有： ? Ⅳ。譬参‘鼍就=知，(印，_p，·)