شبیه سازی فرآیند انجماد خشک کردن
وقتی به فرآیندهای خشک کردن انجمادی فکر می کنم، غذاهای فضانوردی مانند بستنی خشک شده یخی که در کودکی امتحان می کردم به یادم می آید. در حالی که این کاربرد خشک کردن انجمادی برای حفظ مواد غذایی که به فضا پرتاب می شوند مهم است، تعداد باورنکردنی از کاربردهای قابل توجه نیز وجود دارد که کمی نزدیک تر به خانه استفاده می شوند. بیایید نگاهی به فرآیند خشک کردن انجمادی، نحوه شبیه سازی آن، و برخی از محصولات و طرح هایی که برای عملکرد به آن متکی هستند بیندازیم.
بستنی منجمد خشک شده. منبع تصویر: ایوان آموس
تاریخچه یخ زدایی
خشک کردن انجمادی یا لیوفیلیزاسیون، یک فرآیند کم آبی است که اغلب برای حفظ مواد غذایی یا مواد فاسد شدنی استفاده می شود. همچنین اغلب به عنوان راهی برای حذف آب از کالاها استفاده می شود، و آنها را سبک تر و حمل و نقل آسان تر می کند. اولین استفاده از خشک کردن انجمادی به عنوان راهی برای حفظ مواد غذایی به سال 1200 بعد از میلاد برمی گردد، زمانی که مردم از پیش ساز این روش برای ذخیره گوشت و محصولات حاصل از برداشت خود استفاده کردند. به عنوان مثال، آنها از ارتفاعات بالا و فشار کم رشته کوه آند به عنوان راهی برای حذف آهسته آب از محصولات یخ زده خود استفاده کردند، به طور موثری مواد غذایی را در حالت انجماد خشک کردند و اجازه دادند تا سال ها ذخیره شوند. صدها سال بعد، فرآیند انجماد-خشک کردن دوباره مورد استفاده قرار گرفت، این بار برای حفظ پنی سیلین و حتی پلاسمای خون برای انتقال از ایالات متحده به مراکز پزشکی اروپا در طول جنگ جهانی دوم.
امروزه لیوفیلیزاسیون به عنوان یک تکنیک مهم در بسیاری از صنایع شناخته شده است. به عنوان مثال، در صنعت داروسازی برای نگهداری آنتی بیوتیک ها، در ساخت سرامیک های نیمه هادی، و با ابتکارات حفظ، مانند بازسازی اسناد آسیب دیده از آب، استفاده می شود. و البته، این فرآیند را خواهید یافت که به طور گسترده در صنایع غذایی استفاده می شود، برای حفظ تنقلات خوشمزه که می تواند تا 30 سال دوام بیاورد.
تصعید و فرآیند خشک کردن انجمادی
خشک کردن انجمادی از تکنیکی به نام تصعید استفاده می کند که در آن مایع منجمد مستقیماً از حالت یخ زده و به حالت گازی عبور می کند. احتمالاً شما این فرآیند دگرگونی را در یک کنسرت راک دیدهاید، جایی که بلوکهای دی اکسید کربن جامد یا یخ خشک، فضای «دودی» را روی صحنه ایجاد میکنند. این توانایی یک جامد برای رد شدن از فاز مایع و عبور مستقیم به فاز گازی را می توان با یک نمودار فاز توضیح داد ، که در آن حالت یک ماده تحت شرایط فشار و دمای مختلف توضیح داده می شود. همانطور که در نمودار فاز نشان داده شده است، در فشارها و دماهای بسیار پایین، یک جامد می تواند بدون عبور از فاز مایع میانی، مستقیماً به مرحله گازی منتقل شود.
خشک کردن انجمادی شامل دو مرحله اصلی است. در مرحله اول، یک ماده حساس به حرارت مانند غذا، پلاسمای خون یا آنتی بیوتیک ها در یک ویال یا محفظه منجمد می شود. سپس فشار در محفظه کاهش می یابد و حرارت کافی به آرامی اضافه می شود تا ماده یخ زده، معمولاً آب، تعالی پیدا کند. شبیه سازی این فرآیند در زیر نشان داده شده است، جایی که یخ در حالی که در یک ویال است به بخار تبدیل می شود.
شبیه سازی تصعید با استفاده از مش متحرک
هنگام شبیهسازی فرآیند خشک کردن انجمادی، باید از یک توری متحرک استفاده شود تا دو فاز مادی و تغییر شکلی که با تعالی یخ رخ میدهد در نظر گرفته شود. این را می توان با توجه به تجزیه و تحلیل تعادل گرما و جرم تعریف شده در مرز جامد-گاز با استفاده از رابط هندسه تغییر شکل مدل کرد . روش مش متحرک اجازه می دهد تا توصیف بسیار دقیقی از پدیده های فیزیک در سطح مشترک بین دو فاز ارائه شود. هندسه مدل در زیر نشان داده شده است:
هندسه ظرف مورد استفاده در فرآیند خشک کردن انجمادی.
برای جالبتر کردن شبیهسازی، یک بخاری در زیر ویال قرار داده میشود به طوری که فقط نیمی از کف ظرف را میپوشاند و گرمای ناهمواری ایجاد میکند. در ابتدای شبیه سازی (نشان داده شده در زیر)، یخ در کف ظرف وجود دارد، در حالی که فضای باقی مانده در ظرف از بخاری تشکیل شده است که در اثر تصعید ایجاد شده است.
وضعیت اولیه آب در ویال.
همانطور که یخ به تعالی ادامه می دهد، دما و توزیع شار در مدل قابل اندازه گیری است. پس از یک دوره t = 1800 ثانیه، یخ ذوب شده دارای نسبت های نشان داده شده در زیر است:
هندسه جبهه ذوب بعد از 30 دقیقه.
از این تجسم می توانید ببینید که جبهه ذوب یک شکل منحنی مقعر دارد که در اطراف لبه های بیرونی دیواره ویال بالاتر است. علاوه بر این، از آنجایی که حرارت در پایین ویال ناهموار است، سطح رابط کمی پایین تر، نزدیک به x> 0 است. همانطور که یخ تبدیل به بخار می شود، جرم جامد کاهش می یابد و بنابراین توری جامد نیز باید تغییر کند. . تصویر زیر مش متحرک را در زمان اولیه (چپ) و بعد از 30 دقیقه (راست) نشان می دهد. همانطور که می بینید، مش جاروب شده تغییر کرده است تا جلوی انجماد در حال عقب نشینی را دنبال کند.
توری متحرک در زمان اولیه (چپ)، و پس از گذشت 30 دقیقه (راست).
بیشتر خواندن
- دانلود مدل: تجزیه و تحلیل گذرا یخ خشک کردن
- مقاله مرتبط از کنفرانس COMSOL 2011: مدلسازی عناصر محدود انجماد محلول قهوه
- لینک دانلود به صورت پارت های 1 گیگابایتی در فایل های ZIP ارائه شده است.
- در صورتی که به هر دلیل موفق به دانلود فایل مورد نظر نشدید به ما اطلاع دهید.
برای مشاهده لینک دانلود لطفا وارد حساب کاربری خود شوید!
وارد شویدپسورد فایل : پسورد ندارد گزارش خرابی لینک
دیدگاهتان را بنویسید