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上海博迅醫療生物儀器股份有限公司真空干燥箱內傳熱過程數值模擬研究

[導讀]​采用數值模擬方法對上海博迅醫療生物儀器股份有限公司真空干燥箱內的傳熱過程進行了模擬,模型中采用Boussinesq假設計算箱內空氣的自然對流,采用S2S模型計算輻射傳熱,通過模型計算得到了不同壓強下真空干燥箱內的溫度分布

采用數值模擬方法對真空干燥箱內的傳熱過程進行了模擬,模型中采用Boussinesq假設計算箱內空氣的自然對流,采用S2S模型計算輻射傳熱,通過模型計算得到了不同壓強下真空干燥箱內的溫度分布,并探討了采用JJF 1101-2003直接校準真空干燥箱的可行性。研究結果表明:當真空干燥箱內的工作壓強接近絕對真空時,箱內的溫度分布會發生明顯改變,隨著箱內壓強的降低,輻射傳熱量占總傳熱量的比例逐漸增加,箱內的溫度均勻性變差,常壓和接近絕對真空下,真空干燥箱內的均勻度指標均不滿足JJF 1101-2003的要求,因此,采用JJF 1101-2003直接考察真空干燥箱的溫場均勻性是不合適的。

真空處理技術是通過將物料置于真空環境中,降低水的沸點,在壓差的作用下,物料內部的水分子向表面擴散,表面水分子在獲得足夠的動能足以克服分子引力后,被真空泵抽走排出,從而實現在常溫甚至低溫下干燥物料。和常壓干燥技術相比,真空干燥技術可有效抑制熱敏性物質發生生物、化學或物理變化,同時能避免干燥物料與氧氣接觸發生氧化變質,在食品加工、醫藥制藥等行業得到廣泛應用。

真空干燥箱是真空處理技術中用到的關鍵設備,其溫度測量的準確性對保證食品、藥品的質量和安全性起著重要作用,為確保真空設備溫度量值的準確性,需要定期對其溫度量值進行溯源。目前,真空干燥箱的校準主要參照JJF 1101-2003 《環境試驗設備溫度、濕度校準規范》進行。JJF 1101-2003是針對常壓設備而編制的,常壓條件下,箱內熱量的傳遞包括導熱、對流和熱輻射三種方式,而絕對真空條件下,熱量只能通過輻射傳遞,傳熱方式發生明顯變化,因此采用JJF 1101-2003直接校準真空干燥箱是否合適,還值得進一步探討[1]。

本文通過建立數學模型,對不同壓強下,真空干燥箱內的傳熱情況進行了仿真計算,得到了不同工作壓強下,真空干燥箱內部的溫度分布情況,并通過分析不同工作壓強下真空干燥箱內溫度均勻度指標的變化,探討了采用JJF 1101-2003直接校準真空干燥箱的可行性。

1 模型的建立

1.1 物理模型和基本假設

真空干燥箱箱體工作空間尺寸為370 mm×415 mm×345 mm,箱內工作介質為空氣,在非絕對真空下,箱內的空氣流動為自然對流,即,空氣流動的驅動力來自溫差引起的浮升力,模型中采用Boussinesq假設處理由溫差引起的浮升力項[2,3]。Boussinesq假設為:忽略流體中的粘性耗散,假設密度的變化不影響流體其它物性參數的改變,并且僅在控制方程中與體積力有關的項中考慮密度的變化,其它項中密度保持不變。

1.2 網格劃分

計算區域分的網格劃分采用Gambit軟件實現,所有區域均采用結構化網格。在計算之前,需要對網格獨立性進行驗證,本文計算了在其它條件均相同,網格數量分別為423798和508764的兩種情況下真空干燥箱內溫度分布,計算結果表明,兩種情況下,最終得到的真空干燥箱箱體中心平面平均溫度、速度的相對誤差均小于1%,因此認為所獲得的解與網格數量無關。本文后續計算中采用的網格數量為423798,如圖1所示。


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