飽水文物一次干燥過(guò)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?yàn)樗苡行Х乐故湛s、開(kāi)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(guò)程的物理模型，并用有限元計(jì)算軟件進(jìn)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(duì)干燥時(shí)間的影響。利用一定條件下的計(jì)算結(jié)果，對(duì)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(jìn)行了回歸。

　　冷凍干燥通過(guò)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(diǎn)，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(xì)粉體制造領(lǐng)域嶄露頭角。文物是一個(gè)國(guó)家歷史的見(jiàn)證，我國(guó)在近年來(lái)的大規(guī)模建設(shè)使得出土的待保護(hù)的文物不斷增多。出土的文物一般都富含水分，在進(jìn)行長(zhǎng)期保存前必須進(jìn)行脫水干燥處理。干燥后用于陳列的文物應(yīng)輕度或無(wú)收縮、無(wú)斷裂、無(wú)顏色改變，這對(duì)干燥過(guò)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(kāi)裂，自然干燥法從浸漬到完全干燥需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間。冷凍干燥法能有效地防止干燥過(guò)程中的收縮、開(kāi)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(diǎn)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(duì)于食品、藥品的凍干，其工藝的制定與凍干過(guò)程的傳熱傳質(zhì)機(jī)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(duì)瓶壁導(dǎo)熱的影響進(jìn)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(shí)間與凍干室壓力、升華界面溫度的關(guān)系。BrU¨lls 等建立軸對(duì)稱(chēng)的瓶裝物料的凍干模型，對(duì)瓶底弧度、瓶子熱容、瓶子在擱板上位置的影響進(jìn)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(diǎn)：

　　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(hù)劑（如50%的PEG）做前處理，這些不同點(diǎn)使得文物凍干過(guò)程的傳熱和傳質(zhì)具有自己的特點(diǎn)。

　　目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)飽水文物的冷凍干燥過(guò)程本身開(kāi)展的研究仍很少。Jensen P. & Jensen J.B 于2006年建立了一個(gè)一維的通過(guò)導(dǎo)熱方式提供熱量的文物一次干燥過(guò)程的數(shù)學(xué)物理模型，并利用實(shí)驗(yàn)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(lái)進(jìn)行出土木質(zhì)文物的凍干。由于文物具有稀缺的特點(diǎn)，使得以文物為樣本進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)越少越好。為達(dá)此目的，本文將建立一個(gè)兩維的通過(guò)輻射方式提供熱量的一次干燥過(guò)程的數(shù)學(xué)物理模型，通過(guò)數(shù)值方法對(duì)該過(guò)程進(jìn)行研究，為更好地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)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