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上海博迅医疗生物仪器股份有限公司真空干燥箱内传热过程数值模拟研究

[导读]采用数值模拟方法对上海博迅医疗生物仪器股份有限公司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

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。

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