飽水文物一次干燥過程的數(shù)值模擬

2010-08-17 張紹志浙江大學(xué)制冷與低溫研究所

　　冷凍干燥是一種很好的保存出土的飽水文物的方法，因為它能有效防止收縮、開裂、斷裂等現(xiàn)象的發(fā)生。本文建立了采用輻射加熱方式的文物一次干燥過程的物理模型，并用有限元計算軟件進行了數(shù)值模擬，探討了文物的形狀、尺寸、輻射板溫度等因素對干燥時間的影響。利用一定條件下的計算結(jié)果，對在一次干燥期間可能出現(xiàn)的最高溫度與加熱溫度、干燥箱內(nèi)壁溫度的關(guān)系進行了回歸。

　　冷凍干燥通過將水凍成冰然后在真空中升華的方式除去物料中水分。與其它干燥方式相比，冷凍干燥法具有很多優(yōu)點，如能保持物料的初始形狀，已經(jīng)在藥品、名貴食品、保健品生產(chǎn)中獲得廣泛應(yīng)用，并在超細粉體制造領(lǐng)域嶄露頭角。文物是一個國家歷史的見證，我國在近年來的大規(guī)模建設(shè)使得出土的待保護的文物不斷增多。出土的文物一般都富含水分，在進行長期保存前必須進行脫水干燥處理。干燥后用于陳列的文物應(yīng)輕度或無收縮、無斷裂、無顏色改變，這對干燥過程提出了很高的要求。目前研究較多的干燥方法有自然干燥法、熱空氣干燥法、連續(xù)真空干燥法及冷凍干燥法等，熱空氣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縮和開裂，自然干燥法從浸漬到完全干燥需要花費很長的時間。冷凍干燥法能有效地防止干燥過程中的收縮、開裂、斷裂等現(xiàn)象，干燥后文物的三維穩(wěn)定性較好，是一種值得推薦的快速干燥方法。

　　使用冷凍干燥法處理文物的缺點是需要昂貴的凍干設(shè)備。此外，飽水文物的冷凍干燥工藝還是值得研究的課題。對于食品、藥品的凍干，其工藝的制定與凍干過程的傳熱傳質(zhì)機理有關(guān)。程江等建立了一維的食品輻射傳熱冷凍干燥的數(shù)學(xué)模型，在假設(shè)干燥層內(nèi)的溫度分布為線性的情況下得到了解析解。陳孟林等建立了二維的瓶裝物料的凍干模型，對瓶壁導(dǎo)熱的影響進行了分析。鄒惠芬等建立了二維的眼角膜的凍干模型，研究了凍干時間與凍干室壓力、升華界面溫度的關(guān)系。BrU¨lls 等建立軸對稱的瓶裝物料的凍干模型，對瓶底弧度、瓶子熱容、瓶子在擱板上位置的影響進行了研究。與食品、藥品等物料相比，飽水文物具有以下不同點：

　　①形狀不規(guī)則；

　　②體積一般較大，且不可分割；

　　③需用較高濃度的保護劑（如50%的PEG）做前處理，這些不同點使得文物凍干過程的傳熱和傳質(zhì)具有自己的特點。

　　目前，國內(nèi)外針對飽水文物的冷凍干燥過程本身開展的研究仍很少。Jensen P. & Jensen J.B 于2006年建立了一個一維的通過導(dǎo)熱方式提供熱量的文物一次干燥過程的數(shù)學(xué)物理模型，并利用實驗數(shù)據(jù)擬合得到了相關(guān)的傳熱和傳質(zhì)系數(shù)。

　　浙江省博物館在省科技廳資助下建立了一套大型的冷凍干燥裝置，以輻射供熱方式來進行出土木質(zhì)文物的凍干。由于文物具有稀缺的特點，使得以文物為樣本進行的實驗越少越好。為達此目的，本文將建立一個兩維的通過輻射方式提供熱量的一次干燥過程的數(shù)學(xué)物理模型，通過數(shù)值方法對該過程進行研究，為更好地開展實驗工作提供參考。

1、物理模型

干燥箱里輻射加熱板及文物木頭的布置