究竟是谁在影响，一次干燥过程中的产品温度？

概要

冻干过程中的一次干燥阶段，是大多数用户所最关注的阶段。一次干燥阶段的产品温度，又是关注的重点中的重点。

一次干燥过程中，产品温度（升华界面温度）不可以超过产品的关键温度。

一次干燥过程中，产品温度每升高1℃，一次干燥时间就可以缩短13%。

“一次干燥阶段的产品温度，由传导、对流、辐射三个因素共同影响而得到。"这句话，在每次线下课的课程上，我大概都会念个七、八、九、十遍吧。为的就是把大家从，只考虑“传导"的“思维黑洞"里拉出来。

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但从公众号文章的阅读量来看，显然大家的关注点主要还都在传导上（板层温度）上。

关于真空的三篇：

冻干过程中的真空泵；

冻干过程中的真空计；

冻干过程中的真空控制；

关于温度的两篇：

冻干过程中的温度测量；

板层温度和产品温度之间的关系（一）

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由此说明，光靠念叨是没有用的。让我们来用数据说话，以帮助大家加深印象。

一次干燥过程中对产品的传热通过三种方式进行：

Ø  传导：通过西林瓶和板层或者托盘的接触进行的热量传递。带底或者不带底导致的热量传递的差异可以有40%到80%。

Ø  对流:通过腔体里的气体进行。通过控制腔体内的压力来控制。高于5x10-2 mbar = 0.05mbar = 50µbar 的压力下，对流传热有效。

Ø  辐射：通过上板层、门和腔体的壁进行。西林瓶受辐射影响相对小一些，因为胶塞像一个阻挡辐射的屏障。

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左：热辐射

中：传导

右：对流

左边一个图为管制瓶；

右边两个图为模制瓶。

两个图分别为，压力在0.5mbar和0.1mbar压力下的热量传递。

由以上图形可以读出以下信息：

1、在通常一次干燥的压力（0.1-0.4mbar）下，对流传热所占得比重最大；

2、管制瓶因为底部更平，所以传热效果更好。传导传热所占得比重更大；

3、压力越高，对流传热所占得比例越大；

4、腔体压力在0.500mbar的情况下，主要的传热方式是对流。瓶子的类型对传热的影响就不太明显了。

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一次干燥过程中的热传递

输入产品的热量为：传导+对流+辐射；

升华带走产品的热量；

Ø  一次干燥过程中，如果产品温度升高太多，超过了产品的关键温度。产品蛋糕将会被破坏。

Ø  另一方面，如果热量供应不足够，产品温度大幅低于他的安全温度，则升华速度将会降低。

一个好的冻干工艺是给产品提供足够的热量，以此补偿升华消耗的潜热。

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产品温度

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辐射导致的传热异质性

Ø  来自腔体的壁和门的辐射造成位于板层中心和边缘的西林瓶接受的热量不均匀；

Ø  预冻阶段 壁和门的温度比板层温度高。靠近壁和门的西林瓶降温曲线会和位于板层中心的西林瓶不同。因为接受了来自壁和门的额外热量。他们的温度会更高；

Ø  在一次干燥和二次干燥板层加热阶段对西林瓶的影响根据板层温度和腔体壁温度之间的关系而不同。如果板层温度是低温（低于室温），腔体壁和门对产品起到的是加热作用。如果板层温度是高温（高于房间温度）壁和门起到的是冷却产品的作用。

Ø  这个传热异质性造成同一批次样品，位于边缘和位于中间的西林瓶。蛋糕内部的结构不同、一次干燥的时间不同、残余水分不同；

Ø  托盘是一个辐射屏障。但是同时又会通过传导对西林瓶造成影响；

Ø  腔体壁和门的辐射，可以通过使用铝箔纸遮挡以及在有产品的西林瓶外摆放空瓶来减轻；

Ø  板层间距，同样影响由辐射导致的热量传递；

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当腔体压力低于0.050mbar的时候，对流带来的热传递显著减小。这时主要的热量传递方式是传导和辐射。

压力高于0.100mbar时，通过对流气体带来的热量影响更大。

总结

以上，为传导、对流、辐射对产品温度的影响的一个详细剖析。

希望此文能够帮助用户更加深入的理解传导以外的因素对产品温度的影响。从而更好的理解和控制冻干过程。

文章来源——冻干工艺之家公众号  •  星德科 TELSTAR 冻干工艺实验室