《典型植物果實皮層組織在乾燥過程中傳質機理的研究》是依託東北大學，由張世偉擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：典型植物果實皮層組織在乾燥過程中傳質機理的研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：張世偉
- 依託單位：東北大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
在生物材料乾燥實驗中發現，植物果實外表皮層組織通常是制約其傳質進程的關鍵因素。由於缺乏皮層自身傳質物性參數的數據，以前的研究往往將物料的皮層與內質整體作為連續均一介質處理，而對二者傳質性能的差異和由此產生的問題缺乏必要的研究。本項目擬以玉米（糧食）、葡萄（水果）和五味子（藥材）顆粒為典型物料，採用自創的測試方法，實驗測定其皮層組織的水分滲透率。基於對皮層組織微觀結構的觀測，採用分子動力論方法表征皮層組織微觀結構與其巨觀傳質性能之間的關係；剖析皮層內部的介觀尺度傳質過程機制；建立並求解能夠體現皮層阻力占優傳質特性的介觀/巨觀分區雙尺度耦合傳質模型，描述皮層與內質間的巨觀耦合傳質作用。本項目的研究針對生物材料乾燥過程傳質問題的主要矛盾和本質因素，在更深層次上詮釋其傳質機理，豐富生物材料乾燥技術的傳質理論、實驗方法和物性參數，探索強化皮層傳質的途徑，為乾燥技術的節能降耗研究提供理論支持。
結題摘要
基於植物果實生物材料存在的“皮層阻力占優”的傳質特性，立項開展針對乾燥過程中典型植物果實皮層組織內部傳質現象的定量研究，嘗試從微觀-介觀-巨觀的不同層面上揭示其內在機制、描述其變化歷程，總結其影響規律。 選擇單體玉米顆粒為研究對象， 首先藉助CT掃描技術構建了玉米顆粒的高精度三維實體模型；以此為基礎，分別開展了在熱風乾燥條件下基於分區擴散機制和真空乾燥條件下基於非平衡熱動力學與多孔介質理論的玉米顆粒內部傳熱傳質過程模擬計算及實驗對比研究；得到了玉米顆粒的內部溫度場、濕度場、應力場沿空間隨時間的變化規律；揭示了玉米乾燥屬於傳質控制過程的乾燥特性以及皮層組織對傳質進程的制約作用。模擬計算結果充分顯示了採用3D實體模型的突出優勢，進而還提出了三維實體模型與簡化立體模型的相似等效性準則。此外，還對同樣皮層阻力占優的葡萄樣品和具有各向異性特點的物料（芹菜）進行了深入的傳熱傳質分析。 對玉米顆粒皮層傳質阻力的實驗觀測結果說明皮層阻力占優且有分區不均勻性；為定量表征皮層組織的傳質阻力，嘗試開展直接測定單體顆粒植物果實皮層組織的滲透率（擴散係數）的實驗，但因滲透率量值過小、影響因素眾多、測試儀器精度不夠等原因，未能實際獲得皮層組織滲透率的準確可信、復現性好的測試數據。 針對皮層組織與內質部分在幾何尺度上的巨大差異，開展了面向植物果實顆粒不同乾燥過程的介觀/巨觀分區雙尺度耦合傳熱傳質模型的建模與求解方法研究，將皮層區作為低擴散係數的薄層或低滲透率的膜層處理，依據質量、熱量流率守恒基本原理，構建介觀皮層與巨觀內質組合的單體果實顆粒的分區雙尺度耦合傳熱傳質模型；還將該建模和求解方法擴展套用於大型動力變壓器的煤油汽相干燥技術與新型移動式汽相干燥設備系統的工藝過程模擬和磷酸鐵鋰動力電池真空乾燥過程的傳熱傳質模擬。 為實驗驗證上述理論計算模型和模擬計算結果，並將理論研究成果直接套用於工農業生產第一線，服務於國民經濟建設，研製了多功能幹燥過程綜合測試實驗裝置；依此開展了真空乾燥與真空冷凍乾燥系列實驗研究；面向東北地區特有的高濕度、凍結狀態玉米要求冬季乾燥處理的實際需求，總結出真空低溫乾燥的最佳化工藝方法與參數，並開發出日處理量200噸的連續式玉米真空乾燥設備投入生產。
