采用数值模拟方法对真空干燥箱内的传热过程进行了模拟,模型中采用Boussinesq假设计算箱内空气的自然对流,采用S2S模型计算辐射传热,通过模型计算得到了不同压强下真空干燥箱内的温度分布,并探讨了采用JJF 1101-2003直接校准真空干燥箱的可行性。研究结果表明:当真空干燥箱内的工作压强接近绝对真空时,箱内的温度分布会发生明显改变,随着箱内压强的降低,辐射传热量占总传热量的比例逐渐增加,箱内的温度均匀性变差,常压和接近绝对真空下,真空干燥箱内的均匀度指标均不满足JJF 1101-2003的要求,因此,采用JJF 1101-2003直接考察真空干燥箱的温场均匀性是不合适的。

真空处理技术是通过将物料置于真空环境中,降低水的沸点,在压差的作用下,物料内部的水分子向表面扩散,表面水分子在获得足够的动能足以克服分子引力后,被真空泵抽走排出,从而实现在常温甚至低温下干燥物料。和常压干燥技术相比,真空干燥技术可有效抑制热敏性物质发生生物、化学或物理变化,同时能避免干燥物料与氧气接触发生氧化变质,在食品加工、医药制药等行业得到广泛应用。

真空干燥箱是真空处理技术中用到的关键设备,其温度测量的准确性对保证食品、药品的质量和安全性起着重要作用,为确保真空设备温度量值的准确性,需要定期对其温度量值进行溯源。目前,真空干燥箱的校准主要参照JJF 1101-2003 《环境试验设备温度、湿度校准规范》进行。JJF 1101-2003是针对常压设备而编制的,常压条件下,箱内热量的传递包括导热、对流和热辐射三种方式,而绝对真空条件下,热量只能通过辐射传递,传热方式发生明显变化,因此采用JJF 1101-2003直接校准真空干燥箱是否合适,还值得进一步探讨[1]。

本文通过建立数学模型,对不同压强下,真空干燥箱内的传热情况进行了仿真计算,得到了不同工作压强下,真空干燥箱内部的温度分布情况,并通过分析不同工作压强下真空干燥箱内温度均匀度指标的变化,探讨了采用JJF 1101-2003直接校准真空干燥箱的可行性。

1 模型的建立

1.1 物理模型和基本假设

真空干燥箱箱体工作空间尺寸为370 mm×415 mm×345 mm,箱内工作介质为空气,在非绝对真空下,箱内的空气流动为自然对流,即,空气流动的驱动力来自温差引起的浮升力,模型中采用Boussinesq假设处理由温差引起的浮升力项[2,3]。Boussinesq假设为:忽略流体中的粘性耗散,假设密度的变化不影响流体其它物性参数的改变,并且仅在控制方程中与体积力有关的项中考虑密度的变化,其它项中密度保持不变。

1.2 网格划分

计算区域分的网格划分采用Gambit软件实现,所有区域均采用结构化网格。在计算之前,需要对网格独立性进行验证,本文计算了在其它条件均相同,网格数量分别为423798和508764的两种情况下真空干燥箱内温度分布,计算结果表明,两种情况下,最终得到的真空干燥箱箱体中心平面平均温度、速度的相对误差均小于1%,因此认为所获得的解与网格数量无关。本文后续计算中采用的网格数量为423798,如图1所示。