典型植物果实皮层组织在干燥过程中传质机理的研究

在生物材料干燥实验中发现，植物果实外表皮层组织通常是制约其传质进程的关键因素。由于缺乏皮层自身传质物性参数的数据，以前的研究往往将物料的皮层与内质整体作为连续均一介质处理，而对二者传质性能的差异和由此产生的问题缺乏必要的研究。本项目拟以玉米（粮食）、葡萄（水果）和五味子（药材）颗粒为典型物料，采用自创的测试方法，实验测定其皮层组织的水分渗透率。基于对皮层组织微观结构的观测，采用分子动力论方法表征皮层组织微观结构与其宏观传质性能之间的关系；剖析皮层内部的介观尺度传质过程机制；建立并求解能够体现"皮层阻力占优"传质特性的介观/宏观分区双尺度耦合传质模型，描述皮层与内质间的宏观耦合传质作用。本项目的研究针对生物材料干燥过程传质问题的主要矛盾和本质因素，在更深层次上诠释其传质机理，丰富生物材料干燥技术的传质理论、实验方法和物性参数，探索强化皮层传质的途径，为干燥技术的节能降耗研究提供理论支持。

基于植物果实生物材料存在的“皮层阻力占优”的传质特性，立项开展针对干燥过程中典型植物果实皮层组织内部传质现象的定量研究，尝试从微观-介观-宏观的不同层面上揭示其内在机制、描述其变化历程，总结其影响规律。.选择单体玉米颗粒为研究对象， 首先借助CT扫描技术构建了玉米颗粒的高精度三维实体模型；以此为基础，分别开展了在热风干燥条件下基于分区扩散机制和真空干燥条件下基于非平衡热动力学与多孔介质理论的玉米颗粒内部传热传质过程模拟计算及实验对比研究；得到了玉米颗粒的内部温度场、湿度场、应力场沿空间随时间的变化规律；揭示了玉米干燥属于传质控制过程的干燥特性以及皮层组织对传质进程的制约作用。模拟计算结果充分显示了采用3D实体模型的突出优势，进而还提出了三维实体模型与简化立体模型的相似等效性准则。此外，还对同样皮层阻力占优的葡萄样品和具有各向异性特点的物料（芹菜）进行了深入的传热传质分析。.对玉米颗粒皮层传质阻力的实验观测结果说明皮层阻力占优且有分区不均匀性；为定量表征皮层组织的传质阻力，尝试开展直接测定单体颗粒植物果实皮层组织的渗透率（扩散系数）的实验，但因渗透率量值过小、影响因素众多、测试仪器精度不够等原因，未能实际获得皮层组织渗透率的准确可信、复现性好的测试数据。.针对皮层组织与内质部分在几何尺度上的巨大差异，开展了面向植物果实颗粒不同干燥过程的介观/宏观分区双尺度耦合传热传质模型的建模与求解方法研究，将皮层区作为低扩散系数的薄层或低渗透率的膜层处理，依据质量、热量流率守恒基本原理，构建介观皮层与宏观内质组合的单体果实颗粒的分区双尺度耦合传热传质模型；还将该建模和求解方法扩展应用于大型动力变压器的煤油汽相干燥技术与新型移动式汽相干燥设备系统的工艺过程模拟和磷酸铁锂动力电池真空干燥过程的传热传质模拟。.为实验验证上述理论计算模型和模拟计算结果，并将理论研究成果直接应用于工农业生产第一线，服务于国民经济建设，研制了多功能干燥过程综合测试实验装置；依此开展了真空干燥与真空冷冻干燥系列实验研究；面向东北地区特有的高湿度、冻结状态玉米要求冬季干燥处理的实际需求，总结出真空低温干燥的优化工艺方法与参数，并开发出日处理量200吨的连续式玉米真空干燥设备投入生产。