传热控制模型和传质控制模型
在冻干过程中,当传给升华界面的热量等于升华界面升华水蒸气的潜热(忽略冻层和干层升温所需的显热),且升华的水蒸气能全部通过已干层扩散出去时,则升华界面的温度和压力会自动稳定在某一状态,升华稳定进行。此时,若供热量增大,则升华界面的温度和压力会上升,升华速率亦会加快,升华的水蒸气增多,若在新的升华界面压力下,水蒸气还能全部扩散出去,则升华过程会在新的压力和温度下达到新的平衡,升华过程仍能稳定运行。
如果升华出来的水蒸气因干层传质阻力大而不能全部扩散出去,则升华界面上的压力和温度会继续上升,直到制品的温度超过其最高允许值(崩解温度或共熔点温度),升华过程被破坏。这种因干层的水蒸气最大扩散能力小于该状态下所能提供热量的能力,要进一步提高升华速率受干层传质能力所限的过程,称为传质控制过程。研究这类冻干过程,应以传质方程作为计算基础。传质方程只描述了影响传质阻力大小的各因素对冻干过程的影响,没有涉及传热对过程的影响,因此这样建立的数学模型称为传质控制模型。与此相仿,当干层的水蒸气最大扩散能力大于该状态下的最大供热能力时,升华速率的进一步提高受最大传热能力所限。
这类问题的研究则应以传热方程作为计算基础,这种用传热方程建立的数学模型,只描述了影响传热量的各因素对冻干过程的影响,称之为传热控制模型。
虽然有的制品冻干过程受传热控制,也有的是受传质控制,但大多数制品在升华开始时,干层很薄,传质阻力很小,是受传热所限制的;而在升华后期,干层厚度增加,扩散阻力增大,往往变成为受传质所限制。对于这种情况,就应该在受传热限制阶段采用传热控制模型计算,而在受传质限制阶段采用传质控制模型计算。