飽水文物一次干燥過(guò)程的數值模擬

　　冷凍干燥是一種很好的保存出土的飽水文物的方法，因為它能有效防止收縮、開(kāi)裂、斷裂等現象的發(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，并用有限元計算軟件進(jìn)行了數值模擬，探討了文物的形狀、尺寸、輻射板溫度等因素對干燥時(shí)間的影響。利用一定條件下的計算結果，對在一次干燥期間可能出現的最高溫度與加熱溫度、干燥箱內壁溫度的關(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)中獲得廣泛應用，并在超細粉體制造領(lǐng)域嶄露頭角。文物是一個(gè)國家歷史的見(jiàn)證，我國在近年來(lái)的大規模建設使得出土的待保護的文物不斷增多。出土的文物一般都富含水分，在進(jìn)行長(cháng)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輕度或無(wú)收縮、無(wú)斷裂、無(wú)顏色改變，這對干燥過(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很長(cháng)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、斷裂等現象，干燥后文物的三維穩定性較好，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備。此外，飽水文物的冷凍干燥工藝還是值得研究的課題。對于食品、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學(xué)模型，在假設干燥層內的溫度分布為線(xiàn)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，對瓶壁導熱的影響進(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 等建立軸對稱(chēng)的瓶裝物料的凍干模型，對瓶底弧度、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)：

　�、傩螤畈灰巹t；

　�、隗w積一般較大，且不可分割；

　�、坌栌幂^高濃度的保護劑（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，國內外針對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)導熱方式提供熱量的文物一次干燥過(guò)程的數學(xué)物理模型，并利用實(shí)驗數據擬合得到了相關(guān)的傳熱和傳質(zhì)系數。

　　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)驗越少越好。為達此目的，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)程的數學(xué)物理模型，通過(guò)數值方法對該過(guò)程進(jìn)行研究，為更好地開(kāi)展實(shí)驗工作提供參考。

1、物理模型

圖1 干燥箱里輻射加熱板及文物木頭的布置

　　圖1 給除了三種典型形狀的文物木頭在干燥箱里的布置方式，輻射板通過(guò)熱輻射為干燥過(guò)程的持續進(jìn)行提供熱量。

　　一次干燥過(guò)程的數學(xué)物理描述參考非穩態(tài)的升華界面連續移動(dòng)模型。假設：

　�、僭诙�維截面上冷凍區和干燥區的木頭看作是均質(zhì)的，各向同性；

　�、诶鋬鰠^和干燥區有明確的分界，即升華界面，在該面上冰和水蒸氣處于相平衡狀態(tài)；

　�、勰绢^表面是灰體，忽略木頭表面與真空中分子之間的換熱；

　�、茌椛浒灞砻媸腔殷w；

　�、莞稍镞^(guò)程中體積不發(fā)生變化；

　�、藓雎阅绢^表面傳質(zhì)阻力，即認為木頭表面水蒸氣分壓為一定值。描述干燥過(guò)程的方程有：

3、結論

　　本文進(jìn)行了輻射加熱方式下文物冷凍干燥過(guò)程的數值模擬，對影響干燥進(jìn)程的若干因素的分析表明：

　�、傥奈锏某叽缬忻黠@影響，對于圓形截面文物，干燥時(shí)間與直徑指數關(guān)系；

　�、谠诮孛娣e一樣時(shí)，不形狀的文物由于表面接受熱輻射的面積不一樣，干燥時(shí)間也會(huì )不同；

　�、劾鋬龈稍镞^(guò)程中可能出現的最高溫度與輻射板溫度及箱內壁溫度有關(guān)，對于本文模擬的某不規則形狀文物，這一關(guān)系近似線(xiàn)性。

　　本文得到的結果將有助于木質(zhì)文物冷凍干燥實(shí)驗的設計及實(shí)驗結果的解釋。