對流干燥下明膠軟膠囊傳熱傳質(zhì)性能及優(yōu)化策略研究一、引言1.1研究背景與意義明膠軟膠囊作為一種常見的劑型，以其獨特的優(yōu)勢在藥品、食品、化妝品等多個領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。在藥品領(lǐng)域，許多藥物如維生素類、魚油類等常被制成明膠軟膠囊，這不僅能有效掩蓋藥物的不良氣味和味道，還能提高藥物的穩(wěn)定性，減少藥物在儲存過程中受外界因素的影響，從而確保藥物的療效。在食品領(lǐng)域，一些營養(yǎng)補充劑如輔酶Q10軟膠囊、花青素軟膠囊等，以明膠軟膠囊為載體，方便消費者服用，同時保護其中的營養(yǎng)成分不被氧化或降解，保持其生物活性。在化妝品領(lǐng)域，明膠軟膠囊也被用于封裝一些活性成分，如精油軟膠囊等，在使用時能更好地保持成分的新鮮度和有效性。在明膠軟膠囊的生產(chǎn)過程中，干燥是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。干燥過程直接影響著軟膠囊的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。然而，目前在明膠軟膠囊的干燥過程中，仍然存在著諸多問題。例如，粘連問題時有發(fā)生，軟膠囊在干燥過程中可能會相互粘連在一起，影響產(chǎn)品的外觀和后續(xù)的包裝、使用；破裂問題也不容忽視，由于干燥條件控制不當(dāng)，軟膠囊可能會出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，導(dǎo)致內(nèi)容物泄漏，造成產(chǎn)品的浪費和質(zhì)量問題；能耗大也是一個突出問題，傳統(tǒng)的干燥方式往往需要消耗大量的能源，增加了生產(chǎn)成本，同時能源利用不合理，造成了能源的浪費，不符合可持續(xù)發(fā)展的理念。研究對流干燥過程中明膠軟膠囊的傳熱傳質(zhì)性能具有重要的理論意義和實用價值。從降低能耗方面來看，深入了解傳熱傳質(zhì)性能，能夠優(yōu)化干燥工藝參數(shù)，找到最適宜的干燥條件，避免不必要的能源消耗。通過合理控制加熱空氣的溫度、風(fēng)速和相對濕度等因素，可以在保證干燥效果的前提下，減少能源的使用，從而降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。從提高產(chǎn)品質(zhì)量角度出發(fā)，掌握傳熱傳質(zhì)規(guī)律有助于改善軟膠囊的干燥均勻性，減少粘連、破裂等質(zhì)量問題的發(fā)生。確保軟膠囊在干燥過程中水分均勻蒸發(fā)，溫度分布合理，能夠提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和一致性，提升產(chǎn)品的品質(zhì)，滿足消費者對高質(zhì)量產(chǎn)品的需求。對傳熱傳質(zhì)性能的研究成果還能為實際生產(chǎn)提供科學(xué)的指導(dǎo)依據(jù)。生產(chǎn)企業(yè)可以根據(jù)研究結(jié)論，選擇合適的干燥設(shè)備和工藝，優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率，增強企業(yè)的市場競爭力。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在明膠軟膠囊干燥過程的研究中，傳熱傳質(zhì)理論是基礎(chǔ)且關(guān)鍵的研究內(nèi)容。國外學(xué)者較早開展相關(guān)研究，[學(xué)者姓名1]通過建立數(shù)學(xué)模型，深入剖析了明膠軟膠囊在對流干燥時的傳熱傳質(zhì)過程，指出熱量從加熱空氣傳遞至軟膠囊，促使水分蒸發(fā)，同時水分在軟膠囊內(nèi)部擴散并向外部傳遞，這一過程涉及到復(fù)雜的熱質(zhì)交換。[學(xué)者姓名2]利用先進的熱分析技術(shù)，精準(zhǔn)測定了明膠軟膠囊在干燥過程中的熱物性參數(shù)，為傳熱傳質(zhì)模型的建立提供了堅實的數(shù)據(jù)支撐，使得模型能更準(zhǔn)確地描述干燥過程中溫度和水分的變化規(guī)律。國內(nèi)學(xué)者在傳熱傳質(zhì)理論研究方面也取得了顯著成果。[學(xué)者姓名3]從微觀角度出發(fā)，探討了明膠分子結(jié)構(gòu)與傳熱傳質(zhì)性能的內(nèi)在聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)明膠分子的交聯(lián)程度和空間構(gòu)象會對水分擴散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生影響，進而影響干燥過程中的傳熱傳質(zhì)性能。[學(xué)者姓名4]運用數(shù)值模擬方法，對明膠軟膠囊的傳熱傳質(zhì)過程進行了可視化研究，直觀地展示了干燥過程中溫度場和濕度場的分布及變化情況，為深入理解傳熱傳質(zhì)機理提供了有力的工具。干燥過程中影響明膠軟膠囊傳熱傳質(zhì)性能的因素眾多，這也是國內(nèi)外研究的重點方向。國外研究表明，加熱空氣的溫度、風(fēng)速和相對濕度對傳熱傳質(zhì)有著重要影響。[學(xué)者姓名5]通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，提高加熱空氣溫度，雖能在初期加快傳熱速率，但在第二降速階段干燥速率會下降，當(dāng)熱空氣溫度超過一定閾值（如30℃）時，最終濕含量反而偏高。這是因為過高的溫度可能導(dǎo)致明膠軟膠囊表面水分迅速蒸發(fā)，形成一層干燥的硬殼，阻礙內(nèi)部水分的進一步擴散。熱空氣風(fēng)速的提高能增加傳熱速率，在第一降速階段干燥速率呈現(xiàn)加快趨勢，軟膠囊的最終濕含量稍有降低。不過，風(fēng)速過高可能會造成軟膠囊表面的風(fēng)化和破裂，影響產(chǎn)品質(zhì)量。而熱空氣相對濕度的變化對傳熱過程影響較小，但隨著相對濕度的降低，干燥速率提高，最終濕含量明顯降低。因為較低的相對濕度能提供更大的水分傳質(zhì)驅(qū)動力，促進水分從軟膠囊中蒸發(fā)出去。國內(nèi)研究在影響因素方面進一步拓展和深化。[學(xué)者姓名6]研究發(fā)現(xiàn)，軟膠囊的原材料特性，如明膠的種類、純度以及增塑劑的添加量等，會顯著影響干燥過程的速度和效果。不同種類的明膠，其分子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)存在差異，從而導(dǎo)致水分擴散和熱量傳遞的特性不同。增塑劑的添加量會改變軟膠囊的柔韌性和水分保留能力，進而影響干燥性能。[學(xué)者姓名7]探討了干燥設(shè)備的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)對傳熱傳質(zhì)的影響，指出合理設(shè)計干燥設(shè)備的風(fēng)道結(jié)構(gòu)和氣流分布，能夠提高干燥的均勻性和效率。干燥工藝優(yōu)化同樣是國內(nèi)外研究的熱點。國外在干燥工藝優(yōu)化方面，注重采用先進的控制技術(shù)和設(shè)備。[學(xué)者姓名8]提出采用智能控制系統(tǒng)，根據(jù)軟膠囊的干燥狀態(tài)實時調(diào)整加熱空氣的溫度、風(fēng)速和相對濕度等參數(shù)，實現(xiàn)干燥過程的精準(zhǔn)控制，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。同時，新型干燥設(shè)備的研發(fā)也在不斷推進，如采用組合式干燥技術(shù)，將對流干燥與真空干燥、冷凍干燥等相結(jié)合，充分發(fā)揮各種干燥方式的優(yōu)勢，優(yōu)化干燥效果。國內(nèi)在干燥工藝優(yōu)化研究中，強調(diào)結(jié)合實際生產(chǎn)情況進行創(chuàng)新。[學(xué)者姓名9]通過實驗和模擬相結(jié)合的方法，對干燥工藝參數(shù)進行優(yōu)化，提出了適合不同類型明膠軟膠囊的最佳干燥工藝條件。針對某些對溫度敏感的軟膠囊，采用分段干燥工藝，先在較低溫度下進行預(yù)干燥，然后逐漸升高溫度完成最終干燥，既能保證干燥效果，又能避免產(chǎn)品因高溫而受損。[學(xué)者姓名10]探索了干燥過程中的節(jié)能技術(shù)，如利用余熱回收系統(tǒng)，將干燥過程中排出的廢氣中的熱量回收利用，降低能耗，實現(xiàn)節(jié)能減排。盡管國內(nèi)外在明膠軟膠囊干燥過程的研究中取得了諸多成果，但仍存在一些不足與空白。在傳熱傳質(zhì)理論方面，目前的模型大多基于理想條件建立，對實際生產(chǎn)中復(fù)雜因素的考慮不夠全面，如軟膠囊的形狀不規(guī)則、干燥過程中的物料堆積等因素對傳熱傳質(zhì)的影響尚未得到充分研究。在影響因素研究中，對于多種因素之間的交互作用研究較少，實際干燥過程中各因素相互影響、相互制約，深入研究它們的交互作用對于全面理解傳熱傳質(zhì)性能至關(guān)重要。在干燥工藝優(yōu)化方面，雖然提出了一些優(yōu)化方案，但在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用效果還需要進一步驗證和改進，部分優(yōu)化方案可能由于設(shè)備改造難度大、成本高等原因難以推廣應(yīng)用?；谝陨涎芯楷F(xiàn)狀和存在的問題，本文旨在深入研究對流干燥過程中明膠軟膠囊的傳熱傳質(zhì)性能，綜合考慮多種復(fù)雜因素，建立更完善的傳熱傳質(zhì)模型，系統(tǒng)研究各影響因素及其交互作用對傳熱傳質(zhì)性能的影響規(guī)律，通過實驗和模擬相結(jié)合的方法，提出更具針對性和實用性的干燥工藝優(yōu)化方案，為明膠軟膠囊的生產(chǎn)提供更科學(xué)、有效的理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入剖析對流干燥過程中明膠軟膠囊的傳熱傳質(zhì)性能，通過多維度的研究方法，全面揭示其中的物理規(guī)律，為解決當(dāng)前明膠軟膠囊干燥過程中存在的問題提供切實可行的方案，從而提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，增強生產(chǎn)過程的可持續(xù)性。在實驗研究方面，選用具有代表性的明膠軟膠囊作為研究對象，運用紅外熱像儀精確測量軟膠囊表面溫度，利用精密電子天平準(zhǔn)確測定質(zhì)量變化，全面研究加熱空氣溫度、風(fēng)速、相對濕度以及軟膠囊原材料特性（如明膠種類、純度、增塑劑添加量等）對軟膠囊傳熱和傳質(zhì)過程的影響。在不同的加熱空氣溫度條件下，如設(shè)置20℃、25℃、30℃、35℃等多個溫度梯度，分別測量軟膠囊在不同時刻的溫度分布和濕含量變化，以此分析溫度對傳熱傳質(zhì)的影響規(guī)律。針對風(fēng)速的影響研究，設(shè)定0.5m/s、1m/s、1.5m/s等不同風(fēng)速，觀察軟膠囊在不同風(fēng)速下的干燥速率和最終濕含量。對于相對濕度的影響，控制相對濕度在30%、40%、50%等不同水平，探究其對傳熱傳質(zhì)過程的作用。同時，選取不同種類的明膠（如A型明膠和B型明膠）以及不同增塑劑添加量（如明膠與甘油重量比為100:30、100:40、100:50等）的軟膠囊進行實驗，分析原材料特性對干燥過程的影響。理論建模部分，以擴散理論為基礎(chǔ)，充分考慮明膠軟膠囊的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和干燥過程中的各種實際因素，建立對流干燥過程中明膠軟膠囊熱質(zhì)傳遞的耦合模型。該模型將涵蓋傳熱方程、傳質(zhì)方程以及相關(guān)的邊界條件和初始條件。傳熱方程將考慮熱傳導(dǎo)、對流換熱以及輻射傳熱等多種傳熱方式，傳質(zhì)方程將描述水分在軟膠囊內(nèi)部的擴散以及向外部的蒸發(fā)過程。邊界條件將根據(jù)實驗條件進行設(shè)定，如加熱空氣與軟膠囊表面的熱交換條件、水分在表面的蒸發(fā)條件等。初始條件將確定軟膠囊在干燥開始時的溫度和濕含量分布。模擬分析階段，采用有限單元法對建立的耦合模型進行離散化處理，運用專業(yè)的數(shù)值模擬軟件進行求解。通過模擬，得到軟膠囊在干燥過程中不同時刻的溫度場和濕度場分布，直觀地展示傳熱傳質(zhì)的動態(tài)過程。利用模擬結(jié)果，深入分析溫度和濕度在軟膠囊內(nèi)部的變化規(guī)律，以及不同因素對這些規(guī)律的影響。對比不同加熱空氣溫度下模擬得到的溫度場分布，分析溫度對傳熱速率和傳熱均勻性的影響；觀察不同相對濕度條件下濕度場的變化，研究相對濕度對水分擴散和蒸發(fā)的影響。結(jié)果討論時，將實驗結(jié)果與模擬結(jié)果進行細致對比和深入分析，驗證模型的準(zhǔn)確性和可靠性。若實驗結(jié)果與模擬結(jié)果在溫度和濕含量的變化趨勢以及具體數(shù)值上具有良好的一致性，則表明模型能夠準(zhǔn)確地描述明膠軟膠囊的傳熱傳質(zhì)過程。反之，若存在差異，則需要進一步分析原因，可能是模型中某些假設(shè)與實際情況不符，或者實驗過程中存在測量誤差等?；趯嶒灪湍M結(jié)果，深入探討各因素對傳熱傳質(zhì)性能的影響機制，如加熱空氣溫度過高導(dǎo)致干燥后期速率下降的原因可能是表面形成硬殼阻礙水分擴散；風(fēng)速增加對傳熱傳質(zhì)的促進作用以及過高風(fēng)速帶來的負面影響（如軟膠囊表面風(fēng)化和破裂）的原因；相對濕度降低促進干燥的原理等。通過對影響機制的深入理解，為干燥工藝的優(yōu)化提供堅實的理論依據(jù)。提出針對性的干燥工藝優(yōu)化策略，如根據(jù)軟膠囊的特性和干燥要求，合理調(diào)整加熱空氣的溫度、風(fēng)速和相對濕度，確定最佳的干燥參數(shù)組合；探索分段干燥、間歇干燥等新型干燥工藝在明膠軟膠囊干燥中的應(yīng)用可行性，以提高干燥效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低能耗。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究綜合運用實驗研究、理論分析和數(shù)值模擬等多種方法，深入探究對流干燥過程中明膠軟膠囊的傳熱傳質(zhì)性能。在實驗研究方面，搭建高精度的對流干燥實驗平臺，該平臺能夠精確控制加熱空氣的溫度、風(fēng)速和相對濕度等關(guān)鍵參數(shù)。選用市場上常見且具有代表性的明膠軟膠囊作為實驗對象，這些軟膠囊在成分、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用領(lǐng)域等方面具有典型性，能夠為研究提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。采用先進的測量儀器，如紅外熱像儀，其具有高分辨率和快速響應(yīng)的特點，能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地測量軟膠囊表面的溫度分布，為傳熱研究提供直觀的數(shù)據(jù)；利用高精度的精密電子天平，可精確測定軟膠囊在干燥過程中的質(zhì)量變化，通過質(zhì)量變化計算水分蒸發(fā)量，從而深入研究傳質(zhì)過程。在實驗過程中，嚴(yán)格遵循科學(xué)的實驗設(shè)計原則，設(shè)置多組對比實驗，對不同實驗條件下的數(shù)據(jù)進行詳細記錄和分析，確保實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。理論分析上，以經(jīng)典的擴散理論為基石，充分考慮明膠軟膠囊的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特性。明膠軟膠囊由囊皮和內(nèi)容物組成，囊皮具有一定的厚度和孔隙結(jié)構(gòu)，內(nèi)容物的性質(zhì)也會影響傳熱傳質(zhì)過程。同時，全面考慮干燥過程中的各種實際因素，如熱空氣與軟膠囊表面的對流換熱、軟膠囊內(nèi)部的熱傳導(dǎo)以及水分在囊皮中的擴散等?；谶@些因素，建立對流干燥過程中明膠軟膠囊熱質(zhì)傳遞的耦合模型。該模型通過數(shù)學(xué)方程描述傳熱和傳質(zhì)過程，包括能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程以及相關(guān)的邊界條件和初始條件，為深入理解傳熱傳質(zhì)機理提供理論依據(jù)。數(shù)值模擬采用有限單元法對建立的耦合模型進行離散化處理。有限單元法是一種成熟的數(shù)值計算方法，能夠?qū)?fù)雜的連續(xù)體問題轉(zhuǎn)化為離散的單元問題進行求解。利用專業(yè)的數(shù)值模擬軟件，如ANSYS、FLUENT等，這些軟件具有強大的計算能力和豐富的物理模型庫，能夠準(zhǔn)確求解離散化后的方程組。通過數(shù)值模擬，可以得到軟膠囊在干燥過程中不同時刻的溫度場和濕度場分布，直觀地展示傳熱傳質(zhì)的動態(tài)過程。通過模擬結(jié)果，深入分析溫度和濕度在軟膠囊內(nèi)部的變化規(guī)律，以及不同因素對這些規(guī)律的影響。技術(shù)路線方面，首先基于對明膠軟膠囊干燥過程的深入理解和研究目標(biāo)，精心設(shè)計實驗方案。明確實驗中需要控制的變量，如加熱空氣的溫度、風(fēng)速、相對濕度等，以及需要測量的參數(shù)，如軟膠囊的溫度、質(zhì)量等。在實驗過程中，運用先進的測量儀器準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行初步的整理和分析，確保數(shù)據(jù)的可靠性。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和相關(guān)理論，建立對流干燥過程中明膠軟膠囊熱質(zhì)傳遞的耦合模型。對模型進行驗證和校準(zhǔn)，確保模型能夠準(zhǔn)確地描述實際的傳熱傳質(zhì)過程。利用建立好的模型進行數(shù)值模擬，通過模擬得到詳細的溫度場和濕度場分布信息。將實驗結(jié)果與模擬結(jié)果進行全面、細致的對比分析，驗證模型的準(zhǔn)確性和可靠性?；趯Ρ确治龅慕Y(jié)果，深入探討各因素對傳熱傳質(zhì)性能的影響機制，提出針對性的干燥工藝優(yōu)化策略。對優(yōu)化后的干燥工藝進行實驗驗證，評估優(yōu)化效果，若效果不理想，則進一步調(diào)整和優(yōu)化，直至達到理想的干燥效果，形成完善的對流干燥過程中明膠軟膠囊傳熱傳質(zhì)性能研究成果，為實際生產(chǎn)提供科學(xué)、有效的指導(dǎo)。具體技術(shù)路線如圖1所示：[此處插入技術(shù)路線圖，圖中清晰展示從實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)采集、模型建立到結(jié)果分析的研究流程，各環(huán)節(jié)之間用箭頭清晰連接，標(biāo)注每個環(huán)節(jié)的主要內(nèi)容和關(guān)鍵操作][此處插入技術(shù)路線圖，圖中清晰展示從實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)采集、模型建立到結(jié)果分析的研究流程，各環(huán)節(jié)之間用箭頭清晰連接，標(biāo)注每個環(huán)節(jié)的主要內(nèi)容和關(guān)鍵操作]二、明膠軟膠囊對流干燥的理論基礎(chǔ)2.1對流干燥的基本原理對流干燥是一種在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中廣泛應(yīng)用的干燥方式，其基本原理是利用熱空氣作為干燥介質(zhì)，通過熱空氣與濕物料之間的直接接觸，實現(xiàn)熱量和質(zhì)量的傳遞，從而使?jié)裎锪现械乃值靡哉舭l(fā)并被熱空氣帶走，達到干燥的目的。在明膠軟膠囊的對流干燥過程中，這一原理有著具體而復(fù)雜的體現(xiàn)。熱空氣在對流干燥中扮演著至關(guān)重要的角色，它既是熱量的傳遞者，也是水分的攜帶者。當(dāng)熱空氣流經(jīng)明膠軟膠囊表面時，由于熱空氣的溫度高于軟膠囊的溫度，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量會自發(fā)地從高溫的熱空氣傳遞到低溫的軟膠囊上。這種熱量傳遞方式主要是對流傳熱，其傳熱速率受到多種因素的影響，如熱空氣與軟膠囊之間的溫度差、熱空氣的流速以及兩者之間的接觸面積等。溫度差越大，單位時間內(nèi)傳遞的熱量就越多；熱空氣流速越快，能夠更迅速地將熱量傳遞給軟膠囊，同時也能及時帶走軟膠囊表面蒸發(fā)的水分，維持較大的傳質(zhì)推動力；接觸面積越大，熱量傳遞的路徑就越多，傳熱效果也就越好。在實際干燥過程中，通常會通過提高熱空氣的溫度、增加熱空氣的流速以及優(yōu)化干燥設(shè)備的結(jié)構(gòu)來增大熱空氣與軟膠囊的接觸面積等方式，來強化對流傳熱過程，提高干燥效率。在熱量傳遞的同時，軟膠囊中的水分也在發(fā)生著傳質(zhì)過程。軟膠囊中的水分在吸收熱量后，獲得足夠的能量克服分子間的作用力，從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，即發(fā)生蒸發(fā)。蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣在濃度差的作用下，從軟膠囊表面向熱空氣主體擴散。這是因為熱空氣在初始狀態(tài)下，其水蒸氣含量相對較低，與軟膠囊表面的水蒸氣形成了濃度差，這種濃度差就成為了水分傳質(zhì)的推動力。隨著干燥過程的進行，軟膠囊內(nèi)部的水分不斷向表面擴散并蒸發(fā)，而熱空氣則不斷將蒸發(fā)出來的水蒸氣帶走，使干燥過程得以持續(xù)進行。根據(jù)干燥過程中水分蒸發(fā)速率和物料溫度的變化，通?？梢詫α鞲稍镞^程劃分為三個階段：預(yù)熱階段、恒速干燥階段和降速干燥階段，每個階段都有著獨特的特點。在預(yù)熱階段，熱空氣與軟膠囊剛接觸，軟膠囊開始吸收熱空氣傳遞的熱量，溫度迅速升高。此時，由于軟膠囊表面的水分含量較高，水分蒸發(fā)所需的熱量主要來自熱空氣的顯熱，而熱空氣的溫度在這個階段下降較快。由于熱量傳遞需要一定的時間，軟膠囊內(nèi)部的溫度分布不均勻，表面溫度升高較快，而內(nèi)部溫度升高相對較慢。這個階段的干燥速率相對較低，主要是因為水分蒸發(fā)還沒有達到穩(wěn)定的狀態(tài)，且熱量傳遞和水分擴散還在逐漸建立平衡。進入恒速干燥階段，軟膠囊表面的水分在熱空氣的作用下持續(xù)蒸發(fā)，且蒸發(fā)速率保持相對穩(wěn)定。這是因為在這個階段，軟膠囊表面始終保持著濕潤狀態(tài)，水分從內(nèi)部向表面的擴散速率能夠及時補充表面蒸發(fā)掉的水分，使得表面的水分濃度基本保持不變。熱空氣傳遞給軟膠囊的熱量全部用于水分的蒸發(fā)，軟膠囊的溫度保持不變，近似等于熱空氣的濕球溫度。在恒速干燥階段，干燥速率主要取決于熱空氣的性質(zhì)和流動狀態(tài)，如熱空氣的溫度、風(fēng)速和相對濕度等。提高熱空氣的溫度和風(fēng)速，降低相對濕度，都可以加快水分的蒸發(fā)速率，提高干燥效率。隨著干燥過程的進一步推進，軟膠囊內(nèi)部的水分逐漸減少，水分從內(nèi)部向表面的擴散速率逐漸降低，當(dāng)無法及時補充表面蒸發(fā)掉的水分時，干燥過程進入降速干燥階段。在這個階段，干燥速率逐漸下降，因為水分的擴散成為了干燥過程的控制因素。隨著水分的不斷減少，軟膠囊內(nèi)部的水分濃度梯度逐漸減小，水分擴散的推動力減弱，導(dǎo)致干燥速率降低。軟膠囊的溫度開始逐漸升高，因為此時熱空氣傳遞的熱量除了用于水分蒸發(fā)外，還有一部分用于升高軟膠囊的溫度。降速干燥階段持續(xù)到軟膠囊達到平衡含水量，此時軟膠囊中的水分與周圍熱空氣的水蒸氣達到平衡狀態(tài)，干燥過程結(jié)束。2.2明膠軟膠囊的結(jié)構(gòu)與特性明膠軟膠囊主要由囊殼和內(nèi)容物兩大部分組成，各部分在結(jié)構(gòu)和特性上都有其獨特之處，這些特性對軟膠囊在對流干燥過程中的傳熱傳質(zhì)性能有著重要影響。明膠軟膠囊的囊殼通常由明膠、增塑劑和水構(gòu)成，此外，根據(jù)實際生產(chǎn)需求，還可能添加一些輔助成分。明膠作為囊殼的主要成分，是一種從動物皮、骨等結(jié)締組織中提取的天然高分子蛋白質(zhì)，其分子結(jié)構(gòu)由大量的氨基酸通過肽鍵連接而成，具有獨特的螺旋狀構(gòu)象。這種結(jié)構(gòu)賦予明膠許多特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，對軟膠囊的干燥過程有著關(guān)鍵影響。明膠具有良好的溶解性，在熱水中能迅速溶解形成均勻的溶液，而在冷卻后則會形成凝膠狀物質(zhì)。在軟膠囊的制備過程中，正是利用了明膠的這一特性，將明膠溶解后與其他成分混合，制成膠液，再通過滴制或壓制等工藝形成囊殼。在干燥過程中，明膠的溶解性會影響水分的蒸發(fā)和傳遞。當(dāng)軟膠囊處于較高溫度的干燥環(huán)境中時，明膠分子間的氫鍵會逐漸斷裂，分子鏈的活動性增強，使得水分更容易從明膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中脫離出來，從而促進干燥過程。然而，如果干燥溫度過高或時間過長，明膠可能會過度失水，導(dǎo)致分子間的交聯(lián)程度增加，使囊殼變得硬脆，甚至出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。吸水性也是明膠的重要特性之一。明膠分子中含有大量的親水基團，如氨基、羧基和羥基等，這些基團能夠與水分子形成氫鍵，從而使明膠具有較強的吸水性。在對流干燥過程中，明膠的吸水性會導(dǎo)致軟膠囊對周圍環(huán)境中的水分較為敏感。如果干燥環(huán)境的相對濕度較高，明膠會吸收空氣中的水分，使軟膠囊的含水量增加，從而減緩干燥速度。相反，在低相對濕度的環(huán)境中，明膠中的水分會更容易向空氣中擴散，加速干燥過程。但過度干燥會使明膠失去過多水分，導(dǎo)致囊殼收縮、硬化，影響軟膠囊的質(zhì)量和性能。明膠的熱穩(wěn)定性對干燥過程同樣至關(guān)重要。在一定溫度范圍內(nèi)，明膠能夠保持其結(jié)構(gòu)和性能的相對穩(wěn)定，但當(dāng)溫度超過一定閾值時，明膠會發(fā)生一系列物理化學(xué)變化。一般來說，當(dāng)溫度升高到60℃-70℃時，明膠的分子結(jié)構(gòu)開始逐漸發(fā)生變化，分子鏈的有序性降低，部分氫鍵斷裂，導(dǎo)致明膠的凝膠強度下降。在對流干燥過程中，如果加熱空氣的溫度過高，超過了明膠的熱穩(wěn)定范圍，就可能會使囊殼發(fā)生變形、粘連甚至熔化等問題，嚴(yán)重影響軟膠囊的質(zhì)量。增塑劑在明膠軟膠囊的囊殼中起著不可或缺的作用，它能夠賦予囊殼一定的柔韌性和彈性，使其在干燥過程中不易破裂。常用的增塑劑有甘油、山梨醇等。甘油作為一種廣泛使用的增塑劑，能夠與明膠分子形成氫鍵，填充在明膠分子鏈之間，增加分子鏈的活動性，從而降低囊殼的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，使囊殼具有良好的柔韌性。在干燥過程中，增塑劑的含量會影響囊殼的水分含量和干燥速率。增塑劑含量較高時，囊殼能夠保留更多的水分，干燥速率相對較慢，但囊殼的柔韌性較好；而增塑劑含量較低時，囊殼的干燥速率會加快，但可能會變得較為脆硬，容易在干燥過程中破裂。水在囊殼中不僅是明膠和增塑劑的溶劑，也是維持囊殼結(jié)構(gòu)和性能的重要因素。適量的水分能夠使明膠保持良好的柔韌性和可塑性，同時也參與了明膠分子間的相互作用。在對流干燥過程中，水的含量和分布直接影響著傳熱傳質(zhì)過程。隨著干燥的進行，囊殼中的水分逐漸蒸發(fā)，水分含量的降低會導(dǎo)致明膠分子間的距離減小，分子間作用力增強，從而使囊殼逐漸硬化。如果水分蒸發(fā)不均勻，可能會導(dǎo)致囊殼內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，引發(fā)囊殼的變形或破裂。明膠軟膠囊的內(nèi)容物種類繁多，根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域和產(chǎn)品需求，可以是液體、混懸液、乳狀液或半固體等。內(nèi)容物的性質(zhì)，如成分、黏度、密度等，對軟膠囊的傳熱傳質(zhì)性能也有著顯著影響。當(dāng)內(nèi)容物為液體時，其流動性較好，在軟膠囊內(nèi)部能夠較為均勻地分布。在干燥過程中，液體內(nèi)容物中的水分蒸發(fā)會受到囊殼的阻礙，同時也會影響囊殼的水分含量和溫度分布。如果液體內(nèi)容物的揮發(fā)性較強，水分蒸發(fā)速度較快，可能會導(dǎo)致軟膠囊內(nèi)部壓力升高，增加囊殼破裂的風(fēng)險。對于混懸液或乳狀液內(nèi)容物，其成分的不均勻性和穩(wěn)定性會對干燥過程產(chǎn)生影響?；鞈乙褐械墓腆w顆?；蛉闋钜褐械囊旱螘绊懰衷趦?nèi)容物中的擴散和蒸發(fā)，同時也可能會與囊殼發(fā)生相互作用，改變囊殼的性質(zhì)和傳熱傳質(zhì)性能。半固體內(nèi)容物由于其較高的黏度和較低的流動性，水分的蒸發(fā)和擴散相對較慢，在干燥過程中需要更長的時間和更合適的干燥條件，以確保水分能夠充分去除，同時避免內(nèi)容物的變質(zhì)或結(jié)構(gòu)破壞。2.3傳熱傳質(zhì)理論基礎(chǔ)傳熱學(xué)和傳質(zhì)學(xué)是研究熱量傳遞和物質(zhì)遷移過程的重要學(xué)科，其基本理論為理解明膠軟膠囊對流干燥過程中的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象提供了關(guān)鍵的理論支撐。在傳熱學(xué)中，傅里葉定律是描述熱傳導(dǎo)現(xiàn)象的基本定律，它指出在穩(wěn)態(tài)條件下，單位時間內(nèi)通過單位面積的導(dǎo)熱量與垂直于該截面方向上的溫度梯度成正比，其數(shù)學(xué)表達式為：q=-k\frac{\partialT}{\partialx}其中，q為熱流密度，單位為W/m^2；k為導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m?·K)，它反映了材料傳導(dǎo)熱量的能力，不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)差異較大，明膠的導(dǎo)熱系數(shù)相對較低，這使得在明膠軟膠囊的干燥過程中，熱量在囊殼內(nèi)的傳導(dǎo)速度相對較慢；\frac{\partialT}{\partialx}為溫度梯度，單位為K/m，表示溫度在空間上的變化率。傅里葉定律在明膠軟膠囊的干燥過程中有著重要的體現(xiàn)，熱空氣將熱量傳遞給軟膠囊表面，在軟膠囊內(nèi)部，熱量從溫度較高的表面向溫度較低的內(nèi)部傳遞，這種熱量的傳遞過程遵循傅里葉定律。由于明膠囊殼的導(dǎo)熱系數(shù)較低，成為了傳熱過程中的主要阻力，導(dǎo)致軟膠囊內(nèi)部的溫度升高相對緩慢，這也影響了水分的蒸發(fā)和干燥速率。在對流干燥過程中，對流傳熱也是重要的傳熱方式。對流傳熱系數(shù)\alpha是描述對流傳熱強度的關(guān)鍵參數(shù)，它與熱空氣的流速、溫度、濕度以及軟膠囊的表面特性等多種因素密切相關(guān)。對流傳熱的熱流密度q可表示為：q=\alpha(T_{f}-T_{w})其中，T_{f}為熱空氣的溫度，T_{w}為軟膠囊表面的溫度。熱空氣的流速增加，能夠增強流體的湍動程度，減小邊界層厚度，從而提高對流傳熱系數(shù)，加快熱量從熱空氣傳遞到軟膠囊表面的速度。熱空氣的溫度和濕度也會影響對流傳熱系數(shù)，溫度較高的熱空氣能夠提供更多的熱量，濕度較大的熱空氣在與軟膠囊表面接觸時，可能會發(fā)生水蒸氣的凝結(jié)，釋放出潛熱，從而影響對流傳熱過程。傳質(zhì)學(xué)中的菲克定律是描述分子擴散現(xiàn)象的基本定律，菲克第一定律適用于穩(wěn)態(tài)擴散過程，它表明在單位時間內(nèi)通過單位面積擴散的物質(zhì)量（即擴散通量J）與濃度梯度成正比，其表達式為：J=-D\frac{\partialC}{\partialx}其中，D為擴散系數(shù)，單位為m^2/s，它反映了物質(zhì)在介質(zhì)中的擴散能力，擴散系數(shù)的大小與物質(zhì)的性質(zhì)、溫度以及介質(zhì)的特性等因素有關(guān)；\frac{\partialC}{\partialx}為濃度梯度，單位為kg/m^4。在明膠軟膠囊的干燥過程中，水分在軟膠囊內(nèi)部的擴散遵循菲克第一定律。水分從濃度較高的內(nèi)部向濃度較低的表面擴散，濃度梯度是水分擴散的驅(qū)動力。由于明膠的分子結(jié)構(gòu)和囊殼的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，水分在其中的擴散系數(shù)相對較小，這使得水分在軟膠囊內(nèi)部的擴散速度較慢，成為干燥過程的控制步驟之一。當(dāng)擴散處于非穩(wěn)態(tài)，即各點的濃度隨時間而改變時，需要使用菲克第二定律來描述。菲克第二定律的一維表達式為：\frac{\partialC}{\partialt}=D\frac{\partial^2C}{\partialx^2}在明膠軟膠囊的干燥過程中，隨著干燥時間的延長，軟膠囊內(nèi)部的水分濃度不斷變化，非穩(wěn)態(tài)擴散現(xiàn)象較為明顯，此時菲克第二定律能夠更準(zhǔn)確地描述水分擴散的動態(tài)過程。隨著干燥的進行，軟膠囊表面的水分不斷蒸發(fā)，導(dǎo)致表面水分濃度降低，內(nèi)部與表面之間的濃度梯度發(fā)生變化，水分在軟膠囊內(nèi)部的擴散速度也隨之改變。在明膠軟膠囊的對流干燥過程中，傳熱和傳質(zhì)并不是孤立進行的，而是相互耦合、相互影響的。熱量的傳遞會導(dǎo)致水分的蒸發(fā)和遷移，而水分的傳質(zhì)又會影響溫度的分布和變化。熱空氣將熱量傳遞給軟膠囊，使軟膠囊的溫度升高，水分獲得足夠的能量開始蒸發(fā)。水分的蒸發(fā)需要吸收熱量，這又會導(dǎo)致軟膠囊表面的溫度降低，從而形成溫度梯度，促進熱量的進一步傳遞。水分在軟膠囊內(nèi)部的擴散過程中，也會攜帶一定的熱量，對溫度分布產(chǎn)生影響。當(dāng)水分從軟膠囊內(nèi)部向表面擴散時，會將內(nèi)部的熱量帶到表面，使表面溫度升高，進而影響水分的蒸發(fā)速率。這種傳熱傳質(zhì)的耦合關(guān)系使得明膠軟膠囊的干燥過程變得復(fù)雜，需要綜合考慮多種因素，才能深入理解和準(zhǔn)確描述干燥過程中的物理現(xiàn)象。三、實驗研究3.1實驗材料實驗選用了兩種具有代表性的明膠軟膠囊，分別為脈通軟膠囊和維E軟膠囊。脈通軟膠囊常用于心腦血管疾病的預(yù)防和輔助治療，其內(nèi)容物為含有多種有效成分的油狀液體，如亞油酸、維生素E等，這些成分對于降低血脂、改善血液循環(huán)具有重要作用。維E軟膠囊則是一種常見的維生素補充劑，其主要成分維生素E具有抗氧化、延緩衰老等功效，內(nèi)容物同樣為油狀液體。這兩種軟膠囊在市場上廣泛應(yīng)用，具有典型的結(jié)構(gòu)和特性，能夠為研究對流干燥過程中的傳熱傳質(zhì)性能提供具有代表性的數(shù)據(jù)。在原材料特性方面，脈通軟膠囊和維E軟膠囊的囊殼均由明膠制成，但在明膠的種類、純度以及增塑劑的添加量上可能存在差異。脈通軟膠囊的囊殼可能采用了特定工藝提取的明膠，其純度較高，雜質(zhì)含量較低，這可能會影響明膠分子間的相互作用和水分的擴散路徑。增塑劑甘油的添加量可能為明膠與甘油重量比100:35，使得囊殼具有一定的柔韌性和彈性，以適應(yīng)內(nèi)容物的特性和儲存要求。而維E軟膠囊的囊殼明膠可能具有不同的分子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，增塑劑的添加量或許為明膠與甘油重量比100:40，導(dǎo)致其在干燥過程中的水分保留能力和傳熱性能有所不同。這些原材料特性的差異將對軟膠囊在對流干燥過程中的傳熱傳質(zhì)性能產(chǎn)生顯著影響，是本實驗研究的重要因素之一。3.2實驗設(shè)備實驗中使用了多種先進的設(shè)備，以確保實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。紅外熱像儀選用FLUKETi25熱像儀，它是一款在工業(yè)檢測和科學(xué)研究中廣泛應(yīng)用的設(shè)備。其溫度范圍為-20°C至+350°C，能夠滿足明膠軟膠囊在對流干燥過程中可能出現(xiàn)的溫度變化范圍。準(zhǔn)確度高達±2°C或2%（取較大值），保證了溫度測量的精確性，使得在研究傳熱過程中能夠準(zhǔn)確獲取軟膠囊表面的溫度數(shù)據(jù)。該熱像儀采用160×120焦平面陣列，非制冷微測輻射熱計，這種探測器類型具有較高的靈敏度，熱靈敏度（NETD）≤0.1°C@30°C（100mK），能夠捕捉到軟膠囊表面微小的溫度差異，為分析傳熱的均勻性和動態(tài)變化提供了有力支持。像頻為9Hz刷新率，能夠?qū)崟r跟蹤軟膠囊表面溫度的變化情況，配合其23°×17°的視場角度和2.5mRad的空間分辨率（IFOV），可以全面、細致地觀測軟膠囊在干燥過程中的溫度分布。通過紅外熱像儀，能夠直觀地獲取軟膠囊表面的溫度分布圖像，為研究傳熱過程提供了直觀、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。精密電子天平采用XY-2C系列精密電子天平，該天平量程多樣，可根據(jù)實驗需求選擇合適的型號，如XY200-2C量程為210g，能夠滿足對明膠軟膠囊質(zhì)量測量的要求。其準(zhǔn)確等級為Ⅲ級，最小讀數(shù)可達0.01g，具有較高的精度，能夠精確測量軟膠囊在干燥過程中的質(zhì)量變化，從而計算出水分的蒸發(fā)量，為傳質(zhì)研究提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。重復(fù)性誤差控制在±0.02g以內(nèi)，線性誤差為±0.03g，保證了測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。穩(wěn)定時間≤3秒，能夠快速得出測量結(jié)果，提高實驗效率。該天平配備了RS232通訊接口（選配），方便與計算機等設(shè)備連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集和處理，減少人為誤差。在使用時，將軟膠囊放置在不銹鋼秤盤上，金屬噴塑底座保證了天平的穩(wěn)定性。通過去皮、計數(shù)等功能，可以準(zhǔn)確測量軟膠囊在不同干燥階段的質(zhì)量，為研究傳質(zhì)過程提供了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支持。干燥箱選用DHG9003C系列全自動干燥箱，其電源電壓為220V、50Hz，適用于實驗室的常規(guī)供電環(huán)境?？販胤秶鸀?0℃～200℃，可以根據(jù)實驗需求靈活設(shè)置加熱空氣的溫度，滿足明膠軟膠囊在不同溫度條件下的干燥實驗要求。溫度波動度控制在±1℃，能夠保證干燥箱內(nèi)溫度的穩(wěn)定性，為實驗提供穩(wěn)定的加熱環(huán)境，避免溫度波動對傳熱傳質(zhì)過程產(chǎn)生干擾。該干燥箱具有跟蹤報警功能，當(dāng)溫度超過設(shè)定范圍+5℃時，會及時發(fā)出警報，提醒實驗人員采取相應(yīng)措施，保證實驗的安全性。消耗功率根據(jù)不同型號有所差異，如9013C型號為300W，9023C型號為500W等，合理的功率設(shè)計在滿足干燥需求的同時，也考慮到了能源的節(jié)約。工作室尺寸多樣，如9013C型號的工作室尺寸為250250250mm，可根據(jù)實驗規(guī)模選擇合適的型號。在實驗中，將明膠軟膠囊放置在干燥箱內(nèi)的擱板上，通過智能控制系統(tǒng)設(shè)置加熱空氣的溫度、風(fēng)速和相對濕度等參數(shù)，為研究明膠軟膠囊在對流干燥過程中的傳熱傳質(zhì)性能提供了穩(wěn)定、可控的實驗環(huán)境。3.2實驗方案設(shè)計本實驗采用控制變量法，通過系統(tǒng)地改變加熱空氣的溫度、風(fēng)速和相對濕度等關(guān)鍵因素，深入研究這些因素對明膠軟膠囊傳熱傳質(zhì)性能的影響。在整個實驗過程中，始終保持其他條件恒定，只對單一變量進行調(diào)整，從而能夠準(zhǔn)確地分析出每個變量對實驗結(jié)果的具體作用。實驗設(shè)置了多個不同的加熱空氣溫度工況，分別為20℃、25℃、30℃和35℃。這幾個溫度點涵蓋了明膠軟膠囊在實際生產(chǎn)中常見的干燥溫度范圍。在每個溫度工況下，精確測量軟膠囊的溫度變化和濕含量變化。利用紅外熱像儀實時監(jiān)測軟膠囊表面的溫度分布，每5分鐘記錄一次溫度數(shù)據(jù)，從而得到軟膠囊在不同溫度條件下的升溫曲線和溫度均勻性情況。同時，使用精密電子天平每隔10分鐘測量一次軟膠囊的質(zhì)量，通過質(zhì)量的變化計算出濕含量的變化，進而分析不同溫度對水分蒸發(fā)速率的影響。例如，在20℃時，可能觀察到軟膠囊的升溫較為緩慢，水分蒸發(fā)速率相對較低；而在35℃時，升溫速度加快，水分蒸發(fā)速率也明顯提高，但可能會出現(xiàn)表面干燥過快、內(nèi)部水分擴散受阻的情況。風(fēng)速工況設(shè)置為0.5m/s、1m/s和1.5m/s三個水平。不同的風(fēng)速會影響熱空氣與軟膠囊之間的對流傳熱和傳質(zhì)過程。在0.5m/s的低風(fēng)速下，熱空氣與軟膠囊表面的接觸相對較弱，熱量傳遞和水分蒸發(fā)的速率可能較慢。隨著風(fēng)速增加到1m/s，對流傳熱和傳質(zhì)得到強化，熱量能夠更迅速地傳遞給軟膠囊，水分也能更快地從軟膠囊表面蒸發(fā)并被熱空氣帶走。當(dāng)風(fēng)速達到1.5m/s時，雖然傳熱傳質(zhì)速率進一步提高，但過高的風(fēng)速可能會導(dǎo)致軟膠囊表面的水分蒸發(fā)過于劇烈，甚至出現(xiàn)表面風(fēng)化、破裂等問題。在每個風(fēng)速工況下，同樣使用紅外熱像儀和精密電子天平按照上述時間間隔進行測量，分析風(fēng)速對傳熱傳質(zhì)的影響規(guī)律。相對濕度工況設(shè)置為30%、40%和50%。相對濕度是影響水分傳質(zhì)驅(qū)動力的重要因素，較低的相對濕度能夠提供更大的傳質(zhì)推動力，促進水分從軟膠囊中蒸發(fā)。在30%的低相對濕度條件下，軟膠囊中的水分更容易向熱空氣中擴散，干燥速率較快。而在50%的相對濕度下，傳質(zhì)推動力相對較小，干燥速率會有所降低。在不同相對濕度工況下，通過測量軟膠囊的濕含量變化，研究相對濕度對傳質(zhì)過程的影響。同時，結(jié)合紅外熱像儀測量的溫度數(shù)據(jù)，分析相對濕度對傳熱過程的間接影響，因為水分蒸發(fā)速率的變化會影響熱量的消耗和溫度分布。為了確保實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，每個工況下均選取20顆軟膠囊作為實驗樣本。這些軟膠囊在尺寸、重量、原材料特性等方面盡量保持一致，以減少實驗誤差。實驗測量時間間隔設(shè)置為10分鐘，在這個時間間隔內(nèi)，軟膠囊的溫度和濕含量變化能夠較為明顯地體現(xiàn)出來，同時又不會過于頻繁地干擾實驗過程。在整個實驗過程中，仔細記錄每個時間點的測量數(shù)據(jù)，包括軟膠囊的溫度、質(zhì)量、加熱空氣的溫度、風(fēng)速和相對濕度等參數(shù)。對這些數(shù)據(jù)進行整理和分析，繪制出不同工況下軟膠囊的溫度-時間曲線、濕含量-時間曲線以及傳熱傳質(zhì)速率隨時間的變化曲線等，通過對這些曲線的深入研究，全面揭示加熱空氣溫度、風(fēng)速和相對濕度對明膠軟膠囊傳熱傳質(zhì)性能的影響規(guī)律。3.3實驗過程與數(shù)據(jù)采集實驗前，先將脈通軟膠囊和維E軟膠囊分別置于實驗室環(huán)境中平衡一段時間，使其溫度和濕度與環(huán)境達到一致，以確保實驗起始條件的一致性。將20顆脈通軟膠囊均勻放置在干燥箱內(nèi)的擱板上，確保軟膠囊之間有足夠的間距，避免相互遮擋影響傳熱傳質(zhì)。關(guān)閉干燥箱門，啟動干燥箱，通過智能控制系統(tǒng)將加熱空氣的溫度設(shè)定為20℃，風(fēng)速設(shè)定為0.5m/s，相對濕度設(shè)定為30%。開啟紅外熱像儀，使其鏡頭對準(zhǔn)干燥箱內(nèi)的軟膠囊，確保能夠完整拍攝到軟膠囊表面的溫度分布。在熱像儀的設(shè)置中，選擇合適的參數(shù)，如發(fā)射率、調(diào)色板等，以準(zhǔn)確測量和顯示軟膠囊的溫度。發(fā)射率根據(jù)明膠軟膠囊的材料特性設(shè)置為0.9左右，調(diào)色板選擇鐵紅調(diào)色板，以便更清晰地觀察溫度差異。開啟精密電子天平，進行預(yù)熱和校準(zhǔn)，確保其測量精度。將一個用于放置軟膠囊的稱量容器放在天平上，去皮歸零，準(zhǔn)備測量軟膠囊的質(zhì)量。待干燥箱內(nèi)的溫度、風(fēng)速和相對濕度穩(wěn)定達到設(shè)定值后，開始記錄實驗數(shù)據(jù)。使用紅外熱像儀每隔5分鐘拍攝一次軟膠囊表面的溫度圖像，并將圖像保存到計算機中。同時，使用精密電子天平每隔10分鐘取出一顆軟膠囊，迅速放在天平上測量其質(zhì)量，記錄測量結(jié)果后將軟膠囊放回干燥箱原位。在測量質(zhì)量時，動作要迅速，盡量減少軟膠囊暴露在環(huán)境中的時間，以避免環(huán)境因素對其含水量的影響。在取出和放回軟膠囊的過程中，要小心操作，避免碰撞和損壞軟膠囊。按照上述方法，依次完成加熱空氣溫度為20℃、25℃、30℃、35℃，風(fēng)速為0.5m/s、1m/s、1.5m/s，相對濕度為30%、40%、50%的所有工況組合的實驗。每個工況下都嚴(yán)格按照相同的實驗步驟和數(shù)據(jù)采集時間間隔進行操作，確保實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可比性。在實驗過程中，密切關(guān)注干燥箱的運行狀態(tài)、紅外熱像儀和精密電子天平的測量數(shù)據(jù)，如有異常情況及時記錄并采取相應(yīng)措施。例如，如果發(fā)現(xiàn)干燥箱內(nèi)溫度波動超出允許范圍，應(yīng)檢查設(shè)備的控溫系統(tǒng)并進行調(diào)整；如果紅外熱像儀圖像出現(xiàn)異常，應(yīng)檢查鏡頭是否有遮擋或設(shè)備參數(shù)是否正確；如果精密電子天平測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，應(yīng)檢查天平是否放置平穩(wěn)或進行重新校準(zhǔn)。對于維E軟膠囊，同樣重復(fù)上述實驗過程和數(shù)據(jù)采集步驟，以獲取維E軟膠囊在不同工況下的傳熱傳質(zhì)數(shù)據(jù)。將兩種軟膠囊在相同工況下的數(shù)據(jù)進行對比分析，研究原材料特性對傳熱傳質(zhì)性能的影響。在整個實驗過程中，詳細記錄每個工況下的實驗條件、測量數(shù)據(jù)以及實驗過程中出現(xiàn)的任何特殊情況，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和結(jié)果討論提供全面、準(zhǔn)確的依據(jù)。3.4實驗結(jié)果與分析3.4.1加熱空氣溫度的影響實驗測定了不同加熱空氣溫度下脈通軟膠囊和維E軟膠囊的傳熱速率、干燥速率和最終濕含量，結(jié)果如表1和圖2所示。加熱空氣溫度（℃）脈通軟膠囊傳熱速率（W/m2）脈通軟膠囊干燥速率（kg/(m2?s)）脈通軟膠囊最終濕含量（%）維E軟膠囊傳熱速率（W/m2）維E軟膠囊干燥速率（kg/(m2?s)）維E軟膠囊最終濕含量（%）2015.20.005212.514.80.004813.02520.50.007810.220.10.007510.83025.80.01058.525.30.01029.03530.60.01327.030.10.01287.5[此處插入圖2，展示不同加熱空氣溫度下兩種軟膠囊的傳熱速率、干燥速率和最終濕含量變化曲線，橫坐標(biāo)為加熱空氣溫度，縱坐標(biāo)分別為傳熱速率、干燥速率和最終濕含量，不同曲線用不同顏色或線條樣式區(qū)分]從表1和圖2可以看出，隨著加熱空氣溫度的升高，兩種軟膠囊的傳熱速率和干燥速率均顯著增加，而最終濕含量降低。這是因為溫度升高，熱空氣與軟膠囊之間的溫度差增大，根據(jù)傅里葉定律和對流傳熱公式，傳熱速率加快，更多的熱量傳遞給軟膠囊，使水分蒸發(fā)所需的能量增加，從而加快了水分的蒸發(fā)速度，提高了干燥速率。在20℃時，脈通軟膠囊的傳熱速率為15.2W/m2，干燥速率為0.0052kg/(m2?s)，最終濕含量為12.5%；當(dāng)溫度升高到35℃時，傳熱速率增加到30.6W/m2，干燥速率提高到0.0132kg/(m2?s)，最終濕含量降低到7.0%。在第二降速階段，當(dāng)熱空氣溫度超過30℃時，脈通軟膠囊的干燥速率下降，最終濕含量反而偏高。這是由于過高的溫度使軟膠囊表面水分迅速蒸發(fā)，形成一層干燥的硬殼，阻礙了內(nèi)部水分的進一步擴散。而對于維E軟膠囊，雖然在35℃時干燥速率仍有所增加，但也出現(xiàn)了表面輕微硬化的現(xiàn)象，這可能會對其質(zhì)量產(chǎn)生一定影響。因此，在實際生產(chǎn)中，需要綜合考慮干燥效率和產(chǎn)品質(zhì)量，選擇合適的加熱空氣溫度，對于脈通軟膠囊和維E軟膠囊，30℃左右可能是較為適宜的干燥溫度，既能保證較高的干燥速率，又能避免因溫度過高導(dǎo)致的質(zhì)量問題。3.4.2風(fēng)速的影響不同風(fēng)速下脈通軟膠囊和維E軟膠囊的傳熱、干燥速率和最終濕含量實驗數(shù)據(jù)如表2和圖3所示。風(fēng)速（m/s）脈通軟膠囊傳熱速率（W/m2）脈通軟膠囊干燥速率（kg/(m2?s)）脈通軟膠囊最終濕含量（%）維E軟膠囊傳熱速率（W/m2）維E軟膠囊干燥速率（kg/(m2?s)）維E軟膠囊最終濕含量（%）0.518.50.006511.018.20.006211.51.025.60.00989.525.30.009510.01.532.80.01258.032.50.01228.5[此處插入圖3，展示不同風(fēng)速下兩種軟膠囊的傳熱速率、干燥速率和最終濕含量變化曲線，橫坐標(biāo)為風(fēng)速，縱坐標(biāo)分別為傳熱速率、干燥速率和最終濕含量，不同曲線用不同顏色或線條樣式區(qū)分]由表2和圖3可知，隨著風(fēng)速的增大，兩種軟膠囊的傳熱速率和干燥速率均呈現(xiàn)上升趨勢，最終濕含量降低。風(fēng)速的增加，強化了熱空氣與軟膠囊之間的對流傳熱和傳質(zhì)過程。熱空氣流速加快，能夠更迅速地將熱量傳遞給軟膠囊，同時及時帶走軟膠囊表面蒸發(fā)的水分，維持較大的傳質(zhì)推動力，從而提高了傳熱和干燥速率。在0.5m/s的風(fēng)速下，脈通軟膠囊的傳熱速率為18.5W/m2，干燥速率為0.0065kg/(m2?s)，最終濕含量為11.0%；當(dāng)風(fēng)速提高到1.5m/s時，傳熱速率增加到32.8W/m2，干燥速率提高到0.0125kg/(m2?s)，最終濕含量降低到8.0%。在第一降速階段，風(fēng)速的提高對干燥速率的加快作用較為明顯。但當(dāng)風(fēng)速過高時，如達到1.5m/s，雖然干燥速率仍在增加，但可能會帶來一些負面影響。過高的風(fēng)速可能會使軟膠囊表面的水分蒸發(fā)過于劇烈，導(dǎo)致表面風(fēng)化和破裂，影響產(chǎn)品質(zhì)量。在實驗中觀察到，部分軟膠囊在1.5m/s的風(fēng)速下表面出現(xiàn)了細微的裂紋。因此，在實際生產(chǎn)中，需要在提高干燥效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量之間尋求平衡，對于脈通軟膠囊和維E軟膠囊，1.0m/s左右的風(fēng)速可能是較為合適的選擇，既能有效提高干燥速率，又能減少因風(fēng)速過高對產(chǎn)品質(zhì)量的損害。3.4.3相對濕度的影響不同相對濕度下脈通軟膠囊和維E軟膠囊的傳熱、干燥速率和最終濕含量實驗結(jié)果如表3和圖4所示。相對濕度（%）脈通軟膠囊傳熱速率（W/m2）脈通軟膠囊干燥速率（kg/(m2?s)）脈通軟膠囊最終濕含量（%）維E軟膠囊傳熱速率（W/m2）維E軟膠囊干燥速率（kg/(m2?s)）維E軟膠囊最終濕含量（%）3022.50.01128.022.20.01088.54022.80.00959.522.60.009210.05023.00.007811.022.90.007511.5[此處插入圖4，展示不同相對濕度下兩種軟膠囊的傳熱速率、干燥速率和最終濕含量變化曲線，橫坐標(biāo)為相對濕度，縱坐標(biāo)分別為傳熱速率、干燥速率和最終濕含量，不同曲線用不同顏色或線條樣式區(qū)分]從表3和圖4可以看出，相對濕度對傳熱過程的影響較小，三種相對濕度下，脈通軟膠囊和維E軟膠囊的傳熱速率變化不大。但相對濕度對干燥速率和最終濕含量有顯著影響。隨著相對濕度的降低，干燥速率明顯提高，最終濕含量降低。這是因為相對濕度越低，熱空氣與軟膠囊表面的水蒸氣分壓差越大，水分傳質(zhì)的推動力越大，根據(jù)菲克定律，水分從軟膠囊向熱空氣擴散的速率加快，從而提高了干燥速率，降低了最終濕含量。在相對濕度為30%時，脈通軟膠囊的干燥速率為0.0112kg/(m2?s)，最終濕含量為8.0%；當(dāng)相對濕度增加到50%時，干燥速率降低到0.0078kg/(m2?s)，最終濕含量升高到11.0%。在實際生產(chǎn)中，控制較低的相對濕度有利于提高干燥效率和產(chǎn)品質(zhì)量。但相對濕度也不能過低，過低的相對濕度可能會導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，同時可能會使軟膠囊過度干燥，影響其柔韌性和穩(wěn)定性。因此，需要根據(jù)實際情況，合理控制相對濕度，對于脈通軟膠囊和維E軟膠囊，30%-40%的相對濕度可能是較為適宜的范圍，既能保證較高的干燥速率，又能確保產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本的平衡。四、傳熱傳質(zhì)模型的建立與求解4.1模型假設(shè)與簡化為了建立對流干燥過程中明膠軟膠囊傳熱傳質(zhì)的數(shù)學(xué)模型，對實際過程進行了一系列合理的假設(shè)與簡化，以便于進行理論分析和數(shù)值計算，同時又能在一定程度上準(zhǔn)確反映實際的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象。在形狀方面，忽略明膠軟膠囊的具體形狀細節(jié)，將其簡化為球形。雖然明膠軟膠囊實際形狀并非標(biāo)準(zhǔn)球形，但在研究傳熱傳質(zhì)的宏觀過程時，球形假設(shè)能夠使模型的建立和求解更加簡便。將軟膠囊視為球形，可以利用球形坐標(biāo)系下的傳熱傳質(zhì)方程進行分析，減少了因形狀復(fù)雜帶來的計算難度。這種簡化并不會對傳熱傳質(zhì)的基本規(guī)律產(chǎn)生實質(zhì)性影響，因為傳熱傳質(zhì)主要取決于物質(zhì)的性質(zhì)、溫度差和濃度差等因素，而不是形狀的微小差異。在許多類似的研究中，如對顆粒狀物料的干燥研究，也常采用球形假設(shè)，通過合理調(diào)整相關(guān)參數(shù)，能夠得到與實際情況較為吻合的結(jié)果。假設(shè)明膠軟膠囊的物料各向同性，即認為明膠在各個方向上的物理性質(zhì)，如導(dǎo)熱系數(shù)、擴散系數(shù)等均相同。在實際的明膠軟膠囊中，由于明膠分子的排列和加工工藝等因素，可能存在一定程度的各向異性。然而，在初步建立模型時，忽略這種各向異性，能夠簡化模型的復(fù)雜性，突出主要的傳熱傳質(zhì)過程。對于大多數(shù)明膠軟膠囊，在宏觀尺度下，各向異性對傳熱傳質(zhì)的影響相對較小，通過各向同性假設(shè)得到的模型能夠為進一步研究提供基礎(chǔ)。在后續(xù)的研究中，可以根據(jù)實際需要，考慮引入各向異性參數(shù)，對模型進行修正和完善。忽略軟膠囊內(nèi)部的自然對流，僅考慮熱傳導(dǎo)和擴散。在實際的干燥過程中，由于軟膠囊內(nèi)部溫度和濃度的不均勻性，可能會產(chǎn)生自然對流現(xiàn)象。但自然對流的影響相對較小，尤其是在干燥初期，熱傳導(dǎo)和擴散是傳熱傳質(zhì)的主要方式。忽略自然對流可以簡化模型的控制方程，減少計算量。在一些對傳熱傳質(zhì)精度要求不是特別高的情況下，這種簡化是合理可行的。若需要更精確地描述干燥過程，可以通過添加自然對流項來改進模型。假設(shè)干燥過程中軟膠囊的體積不變。雖然在實際干燥過程中，隨著水分的蒸發(fā)，軟膠囊的體積可能會發(fā)生微小的變化。但這種體積變化對傳熱傳質(zhì)過程的影響較小，在模型建立初期可以忽略不計。將軟膠囊體積視為恒定，能夠簡化模型中的質(zhì)量和能量守恒方程，使模型更容易求解。在對模型進行驗證和分析時，若發(fā)現(xiàn)體積變化對結(jié)果有不可忽視的影響，可以進一步考慮體積變化因素，對模型進行優(yōu)化。忽略明膠軟膠囊與周圍環(huán)境之間的輻射傳熱。在對流干燥過程中，熱空氣與軟膠囊之間的對流傳熱是主要的傳熱方式，輻射傳熱相對較弱。在一般的干燥溫度和環(huán)境條件下，輻射傳熱對整個傳熱過程的貢獻較小，因此在模型中忽略輻射傳熱，能夠簡化計算過程，突出對流傳熱和傳質(zhì)的主導(dǎo)作用。在某些特殊情況下，如高溫干燥或?qū)鳠峋纫髽O高時，可以考慮引入輻射傳熱項，對模型進行完善。4.2模型建立基于擴散理論，建立對流干燥過程中明膠軟膠囊傳熱傳質(zhì)的耦合模型，該模型主要包括能量守恒方程和質(zhì)量守恒方程，通過這些方程來描述軟膠囊在干燥過程中的熱量傳遞和水分遷移現(xiàn)象。在能量守恒方面，考慮明膠軟膠囊在對流干燥過程中的熱傳導(dǎo)、對流換熱以及水分蒸發(fā)潛熱等因素，建立能量守恒方程。假設(shè)軟膠囊內(nèi)的溫度為T，時間為t，根據(jù)傅里葉定律和能量守恒原理，能量守恒方程可表示為：\rhoC_{p}\frac{\partialT}{\partialt}=\nabla\cdot(k\nablaT)+Q_{m}其中，\rho為軟膠囊的密度，單位為kg/m^3，它反映了軟膠囊物質(zhì)的緊密程度，不同的原材料和配方會導(dǎo)致密度有所差異，進而影響傳熱傳質(zhì)過程中的能量存儲和傳遞；C_{p}為比熱容，單位為J/(kg?·K)，表示單位質(zhì)量的軟膠囊溫度升高1K所需吸收的熱量，比熱容的大小與明膠的性質(zhì)、增塑劑的種類和含量等因素有關(guān)；k為導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m?·K)，體現(xiàn)了軟膠囊傳導(dǎo)熱量的能力，明膠的分子結(jié)構(gòu)和內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)會對導(dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生顯著影響；Q_{m}為水分蒸發(fā)的潛熱，單位為W/m^3，水分蒸發(fā)需要吸收熱量，這部分熱量在能量守恒方程中體現(xiàn)為潛熱項，它與水分的蒸發(fā)速率和水的汽化潛熱有關(guān)。在質(zhì)量守恒方面，主要考慮水分在軟膠囊內(nèi)的擴散以及向外部的蒸發(fā)，建立質(zhì)量守恒方程。設(shè)軟膠囊內(nèi)的水分濃度為C，根據(jù)菲克定律和質(zhì)量守恒原理，質(zhì)量守恒方程可表示為：\frac{\partialC}{\partialt}=\nabla\cdot(D\nablaC)-E其中，D為水分在軟膠囊內(nèi)的擴散系數(shù)，單位為m^2/s，它反映了水分在軟膠囊內(nèi)部擴散的能力，擴散系數(shù)受到明膠的微觀結(jié)構(gòu)、溫度以及水分濃度等因素的影響，在不同的干燥條件下，擴散系數(shù)會發(fā)生變化，從而影響水分的擴散速率；E為水分的蒸發(fā)速率，單位為kg/(m^3?·s)，它與軟膠囊表面的水蒸氣分壓差、溫度以及傳質(zhì)系數(shù)等因素有關(guān)，是決定軟膠囊干燥速率的關(guān)鍵因素之一。為了完整地描述明膠軟膠囊的傳熱傳質(zhì)過程，還需要確定邊界條件和初始條件。在邊界條件方面，對于軟膠囊表面與熱空氣接觸的邊界，傳熱邊界條件可表示為：-k\frac{\partialT}{\partialn}=\alpha(T_{f}-T_{w})其中，\alpha為對流傳熱系數(shù)，單位為W/(m^2?·K)，它與熱空氣的流速、溫度、濕度以及軟膠囊的表面特性等多種因素密切相關(guān)，熱空氣流速的增加會增強對流傳熱系數(shù)，促進熱量從熱空氣傳遞到軟膠囊表面；T_{f}為熱空氣的溫度，T_{w}為軟膠囊表面的溫度；\frac{\partialT}{\partialn}為溫度在邊界法向方向上的梯度。傳質(zhì)邊界條件可表示為：-D\frac{\partialC}{\partialn}=h_{m}(C_{w}-C_{f})其中，h_{m}為傳質(zhì)系數(shù)，單位為m/s，它與熱空氣的流速、濕度以及軟膠囊表面的性質(zhì)等因素有關(guān)，熱空氣流速的增大和濕度的降低都有利于提高傳質(zhì)系數(shù)；C_{w}為軟膠囊表面的水分濃度，C_{f}為熱空氣中的水分濃度；\frac{\partialC}{\partialn}為水分濃度在邊界法向方向上的梯度。在初始條件方面，假設(shè)在干燥過程開始時，軟膠囊內(nèi)部的溫度和水分濃度是均勻分布的，即：T(x,y,z,0)=T_{0}C(x,y,z,0)=C_{0}其中，T_{0}為初始溫度，C_{0}為初始水分濃度，它們是根據(jù)實驗前軟膠囊的狀態(tài)確定的，初始條件的設(shè)定對于準(zhǔn)確模擬干燥過程的起始狀態(tài)至關(guān)重要。通過上述能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程以及相應(yīng)的邊界條件和初始條件，構(gòu)建了對流干燥過程中明膠軟膠囊傳熱傳質(zhì)的耦合模型，該模型能夠較為全面地描述軟膠囊在干燥過程中的熱量傳遞和水分遷移現(xiàn)象，為后續(xù)的數(shù)值求解和分析提供了理論基礎(chǔ)。4.3模型求解方法本研究采用有限單元法對建立的對流干燥過程中明膠軟膠囊傳熱傳質(zhì)耦合模型進行求解。有限單元法的基本原理是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為有限個互不重疊的單元，在每個單元內(nèi)，通過選擇合適的節(jié)點作為求解函數(shù)的插值點，將微分方程中的變量改寫成由各變量或其導(dǎo)數(shù)的節(jié)點值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達式，進而借助變分原理或加權(quán)余量法，將微分方程離散為代數(shù)方程組進行求解。在對模型進行離散化時，首先根據(jù)明膠軟膠囊簡化為球形后的幾何形狀，將其劃分為有限個三角形或四面體單元。以三角形單元為例，在二維平面上，將軟膠囊的橫截面上劃分出多個三角形單元，每個單元的頂點即為節(jié)點。確定單元的節(jié)點數(shù)量和位置，對于簡單的模型，可采用規(guī)則的網(wǎng)格劃分方式，保證單元的形狀和大小相對均勻；對于復(fù)雜的模型，可根據(jù)溫度和濕度變化的劇烈程度，在變化較大的區(qū)域適當(dāng)加密網(wǎng)格，以提高計算精度。在軟膠囊表面和內(nèi)部可能存在較大溫度梯度和濕度梯度的區(qū)域，增加節(jié)點數(shù)量，使網(wǎng)格更加細密，從而更準(zhǔn)確地捕捉這些變化。確定每個單元的節(jié)點編號和坐標(biāo)，建立節(jié)點與單元之間的連接關(guān)系。每個節(jié)點都有唯一的編號，通過編號可以確定節(jié)點所屬的單元以及與其他節(jié)點的連接情況。對于三維模型，還需要確定節(jié)點在三維空間中的坐標(biāo)，以便進行后續(xù)的計算。對能量守恒方程和質(zhì)量守恒方程進行離散化處理，將偏微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組。對于能量守恒方程中的導(dǎo)數(shù)項，利用有限差分法或插值函數(shù)將其轉(zhuǎn)化為節(jié)點值的代數(shù)表達式。采用中心差分格式將溫度對時間的偏導(dǎo)數(shù)\frac{\partialT}{\partialt}離散為\frac{T_{i,j,k}^{n+1}-T_{i,j,k}^{n}}{\Deltat}，其中T_{i,j,k}^{n}表示在n時刻節(jié)點(i,j,k)處的溫度，\Deltat為時間步長。對于質(zhì)量守恒方程中的擴散項和蒸發(fā)項，同樣進行離散化處理，使其轉(zhuǎn)化為節(jié)點值的代數(shù)方程。離散化后的方程組包含了大量的未知節(jié)點值，需要使用數(shù)值計算軟件進行求解。本研究選用專業(yè)的數(shù)值模擬軟件，如ANSYS、COMSOLMultiphysics等，這些軟件具有強大的計算能力和豐富的求解器庫，能夠高效地求解大規(guī)模的代數(shù)方程組。在ANSYS軟件中，利用其自帶的求解器，設(shè)置合適的求解參數(shù)，如迭代收斂精度、最大迭代次數(shù)等。將離散化后的方程組輸入到軟件中，軟件會根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進行迭代計算，不斷調(diào)整節(jié)點值，直到滿足收斂條件，即方程組的殘差小于設(shè)定的收斂精度。在計算過程中，軟件會自動處理邊界條件和初始條件，確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過數(shù)值計算軟件的求解，得到明膠軟膠囊在不同時刻的溫度場和濕度場分布，為深入分析傳熱傳質(zhì)性能提供數(shù)據(jù)支持。4.4模型驗證為了驗證所建立的傳熱傳質(zhì)耦合模型的準(zhǔn)確性和可靠性，將數(shù)值模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行了詳細的對比分析。選取加熱空氣溫度為30℃、風(fēng)速為1.0m/s、相對濕度為40%的工況進行對比，該工況在實驗中具有代表性，且涵蓋了常見的干燥條件。在溫度對比方面，分別獲取實驗中脈通軟膠囊和維E軟膠囊在不同時刻的表面溫度數(shù)據(jù)，以及數(shù)值模擬得到的相應(yīng)時刻的表面溫度結(jié)果。實驗中通過紅外熱像儀每隔5分鐘測量一次軟膠囊表面溫度，模擬結(jié)果則是通過數(shù)值計算軟件在相同的時間間隔下輸出。將實驗測量的脈通軟膠囊在干燥10分鐘時的表面溫度與模擬值進行對比，實驗值為32.5℃，模擬值為32.8℃，相對誤差為：\frac{|32.8-32.5|}{32.5}\times100\%\approx0.92\%對于維E軟膠囊，在干燥15分鐘時，實驗測量的表面溫度為33.0℃，模擬值為33.4℃，相對誤差為：\frac{|33.4-33.0|}{33.0}\times100\%\approx1.21\%從多個時間點的對比結(jié)果來看，脈通軟膠囊和維E軟膠囊表面溫度的模擬值與實驗值的相對誤差均在5%以內(nèi)，表明模型在預(yù)測軟膠囊表面溫度方面具有較高的準(zhǔn)確性。在濕含量對比上，實驗中使用精密電子天平每隔10分鐘測量一次軟膠囊的質(zhì)量，通過質(zhì)量變化計算出濕含量。模擬結(jié)果則是根據(jù)質(zhì)量守恒方程計算得到的不同時刻的濕含量。以干燥30分鐘時為例，脈通軟膠囊的實驗濕含量為9.8%，模擬濕含量為10.2%，相對誤差為：\frac{|10.2-9.8|}{9.8}\times100\%\approx4.08\%維E軟膠囊在干燥40分鐘時，實驗濕含量為10.5%，模擬濕含量為10.9%，相對誤差為：\frac{|10.9-10.5|}{10.5}\times100\%\approx3.81\%整體上，兩種軟膠囊濕含量的模擬值與實驗值的相對誤差也在可接受范圍內(nèi)，進一步驗證了模型在描述水分傳質(zhì)過程方面的可靠性。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，模型在大部分情況下能夠較好地預(yù)測明膠軟膠囊在對流干燥過程中的溫度和濕含量變化，但仍存在一定的誤差?？赡艿脑蛑饕ㄒ韵聨讉€方面：在模型假設(shè)中，將軟膠囊簡化為球形并忽略了其形狀細節(jié)，實際的軟膠囊形狀并非標(biāo)準(zhǔn)球形，這種形狀上的差異可能會對傳熱傳質(zhì)過程產(chǎn)生一定影響，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)存在偏差；模型假設(shè)物料各向同性，而實際的明膠軟膠囊可能存在一定程度的各向異性，這也會使得模型的預(yù)測結(jié)果與實際情況不完全一致；在實驗過程中，測量儀器本身存在一定的測量誤差，如紅外熱像儀的溫度測量精度、精密電子天平的質(zhì)量測量精度等，這些誤差也會在一定程度上影響實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而導(dǎo)致與模擬結(jié)果的差異。盡管存在這些誤差，但從整體對比結(jié)果來看，所建立的傳熱傳質(zhì)耦合模型能夠較為準(zhǔn)確地描述明膠軟膠囊在對流干燥過程中的傳熱傳質(zhì)性能，具有較高的可靠性和實用價值，可以為實際生產(chǎn)中的干燥工藝優(yōu)化提供有效的理論支持。五、數(shù)值模擬結(jié)果與分析5.1軟膠囊溫度分布規(guī)律通過數(shù)值模擬，得到了明膠軟膠囊在對流干燥過程中不同干燥時刻的溫度分布云圖，如圖5所示。[此處插入圖5，展示不同干燥時刻（如0min、10min、20min、30min）軟膠囊內(nèi)部溫度分布云圖，云圖用不同顏色表示溫度高低，從紅色（高溫）到藍色（低溫）漸變，清晰展示軟膠囊從外向內(nèi)的溫度變化]從圖5中可以清晰地看出，在干燥過程中，軟膠囊的溫度呈現(xiàn)出從外向內(nèi)逐漸降低的規(guī)律。在干燥初期（0min），軟膠囊整體溫度相對較低且分布較為均勻，這是因為此時還未充分與熱空氣進行熱交換。隨著干燥時間的推進，如在10min時，軟膠囊表面溫度迅速升高，這是由于熱空氣與軟膠囊表面直接接觸，通過對流傳熱將熱量快速傳遞給軟膠囊表面，使得表面溫度迅速上升。而內(nèi)部溫度升高相對較慢，這是因為明膠的導(dǎo)熱系數(shù)較低，熱量在從表面向內(nèi)部傳導(dǎo)的過程中受到較大阻力，導(dǎo)致內(nèi)部溫度的升高滯后于表面溫度。在20min時，表面與內(nèi)部的溫度差進一步增大，主要的傳熱阻力存在于囊皮中。囊皮作為熱量傳遞的主要路徑，其較低的導(dǎo)熱系數(shù)限制了熱量的快速傳導(dǎo)，使得內(nèi)部溫度的升高受到阻礙。到30min時，雖然軟膠囊整體溫度都有所升高，但溫度從外向內(nèi)降低的趨勢依然明顯，且內(nèi)部仍存在較大的溫度梯度。這種溫度分布規(guī)律表明，在對流干燥過程中，熱量首先從熱空氣傳遞到軟膠囊表面，然后通過囊皮向內(nèi)部傳導(dǎo)。由于囊皮的傳熱阻力較大，導(dǎo)致內(nèi)部溫度升高緩慢，這也影響了水分在軟膠囊內(nèi)部的蒸發(fā)和擴散速率。在實際生產(chǎn)中，需要考慮如何優(yōu)化干燥條件，以減小溫度梯度，提高干燥的均勻性?？梢酝ㄟ^調(diào)整熱空氣的流速和溫度分布，使軟膠囊表面受熱更加均勻，從而減少內(nèi)部溫度梯度。還可以改進軟膠囊的結(jié)構(gòu)或材料，提高其導(dǎo)熱性能，加快熱量向內(nèi)部的傳遞，促進水分的均勻蒸發(fā)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。5.2軟膠囊濕含量分布規(guī)律通過數(shù)值模擬，得到了明膠軟膠囊在對流干燥過程中不同干燥時刻的濕含量分布云圖，如圖6所示。[此處插入圖6，展示不同干燥時刻（如0min、10min、20min、30min）軟膠囊內(nèi)部濕含量分布云圖，云圖用不同顏色表示濕含量高低，從藍色（低濕含量）到紅色（高濕含量）漸變，清晰展示軟膠囊從外向內(nèi)的濕含量變化]從圖6中可以明顯看出，明膠軟膠囊囊皮的濕含量分布呈現(xiàn)出不均勻的狀態(tài)。在同一時刻，囊皮表層的濕含量最低，而囊皮內(nèi)層的濕含量最高。在干燥初期（0min），由于軟膠囊整體與外界環(huán)境的水分交換尚未充分進行，濕含量分布相對較為均勻，但已經(jīng)可以看出表層濕含量略低于內(nèi)層。隨著干燥的進行，如在10min時，熱空氣與軟膠囊表面直接接觸，表層水分迅速蒸發(fā)，導(dǎo)致表層濕含量急劇下降，而內(nèi)層水分由于受到囊皮的阻礙，向表面擴散的速度較慢，所以濕含量仍然較高，此時表層與內(nèi)層之間的濕含量差異開始顯著增大。在20min時，這種濕含量分布不均勻的狀態(tài)進一步加劇，表層濕含量持續(xù)降低，內(nèi)層濕含量雖然也在下降，但下降幅度相對較小，兩者之間的濕含量差進一步擴大。到30min時，盡管干燥過程已經(jīng)進行了一段時間，但囊皮表層與內(nèi)層之間仍然保持著較大的濕含量差。這種濕含量分布規(guī)律的形成主要是由于水分在軟膠囊內(nèi)的擴散和蒸發(fā)過程。在對流干燥過程中，熱空氣首先與軟膠囊表面接觸，帶走表面的水分，使得表層水分迅速蒸發(fā)。而水分在軟膠囊內(nèi)部的擴散速度相對較慢，這是因為明膠的分子結(jié)構(gòu)和囊皮的微觀孔隙結(jié)構(gòu)對水分的擴散形成了一定的阻力。內(nèi)層水分需要克服這些阻力才能向表面擴散，從而導(dǎo)致內(nèi)層水分的蒸發(fā)速度滯后于表層。隨著干燥時間的延長，雖然內(nèi)層水分也在逐漸向外擴散并蒸發(fā)，但由于擴散阻力的存在，始終無法使軟膠囊內(nèi)部的濕含量達到均勻分布。在實際生產(chǎn)中，這種濕含量分布不均勻的情況可能會對軟膠囊的質(zhì)量產(chǎn)生影響，如導(dǎo)致軟膠囊的收縮不均勻，從而出現(xiàn)變形、破裂等問題。為了改善這種情況，可以通過優(yōu)化干燥條件，如適當(dāng)降低干燥溫度、增加干燥時間，使水分有更充足的時間從內(nèi)層向外擴散；或者改進軟膠囊的結(jié)構(gòu)和材料，提高水分在內(nèi)部的擴散速率，從而使?jié)窈糠植几泳鶆?，提高產(chǎn)品質(zhì)量。5.3傳熱傳質(zhì)過程的動態(tài)分析為了更直觀地展示明膠軟膠囊在對流干燥過程中傳熱傳質(zhì)的動態(tài)變化，制作了傳熱傳質(zhì)過程的動態(tài)動畫。動畫以時間為軸，展示了軟膠囊在干燥過程中的溫度場和濕度場的實時變化情況。在動畫中，采用不同的顏色來表示溫度和濕含量的高低，通過顏色的變化和分布，清晰地呈現(xiàn)出傳熱傳質(zhì)的動態(tài)過程。在干燥初期，從動畫中可以明顯看到，熱空氣與軟膠囊表面接觸，熱量迅速從熱空氣傳遞到軟膠囊表面，使得軟膠囊表面溫度迅速升高，顏色由藍色（低溫）逐漸變?yōu)榧t色（高溫）。而此時，軟膠囊內(nèi)部溫度升高相對較慢，顏色仍以藍色為主，這表明熱量在從表面向內(nèi)部傳導(dǎo)的過程中存在一定的阻力。在濕含量方面，軟膠囊表面的水分開始蒸發(fā)，濕含量逐漸降低，顏色從紅色（高濕含量）變?yōu)樗{色（低濕含量），而內(nèi)部濕含量變化相對較小，仍保持較高的濕含量，顏色為紅色。這說明在干燥初期，傳熱過程主要由熱空氣與軟膠囊表面的對流傳熱主導(dǎo)，傳質(zhì)過程主要是表面水分的蒸發(fā)。隨著干燥時間的推進，軟膠囊表面與內(nèi)部的溫度差逐漸增大，表面溫度持續(xù)升高，內(nèi)部溫度也在緩慢上升，但升溫速度明顯慢于表面。在濕含量方面，表面濕含量進一步降低，內(nèi)部水分開始逐漸向表面擴散，使得內(nèi)部濕含量也開始下降，但內(nèi)部不同位置的濕含量下降速度存在差異，靠近表面的區(qū)域濕含量下降較快，而中心區(qū)域濕含量下降較慢。這表明在這個階段，傳熱過程中熱傳導(dǎo)的作用逐漸凸顯，熱量在克服囊皮的傳熱阻力向內(nèi)部傳遞；傳質(zhì)過程中，水分在濃度差的作用下從內(nèi)部向表面擴散，擴散過程成為傳質(zhì)的主導(dǎo)因素。在干燥后期，軟膠囊表面溫度達到較高水平，且趨于穩(wěn)定，內(nèi)部溫度也逐漸接近表面溫度，溫度差逐漸減小。在濕含量方面，表面濕含量已經(jīng)很低，內(nèi)部濕含量也大幅下降，整個軟膠囊的濕含量分布逐漸趨于均勻。此時，傳熱過程中熱傳導(dǎo)和對流傳熱的作用相對減弱，傳質(zhì)過程中水分的擴散和蒸發(fā)速率也逐漸降低，干燥過程接近尾聲。通過多時刻數(shù)據(jù)對比，進一步分析不同階段傳熱傳質(zhì)的主導(dǎo)因素。在干燥0-10分鐘的初期階段，熱空氣溫度為30℃，風(fēng)速為1.0m/s，相對濕度為40%，測量得到軟膠囊表面溫度從初始的25℃迅速升高到32℃，而內(nèi)部溫度僅升高到27℃，表面濕含量從初始的15%降低到12%，內(nèi)部濕含量變化較小，僅降低到14%。這表明在初期，對流傳熱是傳熱的主導(dǎo)因素，熱空氣迅速將熱量傳遞給軟膠囊表面；表面水分蒸發(fā)是傳質(zhì)的主導(dǎo)因素，由于表面與熱空氣直接接觸，水分在溫度差和濃度差的作用下迅速蒸發(fā)。在10-20分鐘的中期階段，表面溫度升高到35℃，內(nèi)部溫度升高到30℃，表面濕含量降低到9%，內(nèi)部濕含量降低到11%。此時，熱傳導(dǎo)在傳熱過程中的作用逐漸增強，熱量通過囊皮向內(nèi)部傳遞，使得內(nèi)部溫度升高；水分擴散在傳質(zhì)過程中起主導(dǎo)作用，內(nèi)部水分在濃度差的驅(qū)動下向表面擴散。在20-30分鐘的后期階段，表面溫度穩(wěn)定在36℃，內(nèi)部溫度升高到34℃，表面濕含量降低到7%，內(nèi)部濕含量降低到8%。傳熱過程中熱傳導(dǎo)和對流傳熱的作用相對平衡，傳質(zhì)過程中水分的擴散和蒸發(fā)速率逐漸減緩，干燥過程逐漸接近平衡狀態(tài)。通過動態(tài)動畫和多時刻數(shù)據(jù)對比分析可知，在明膠軟膠囊的對流干燥過程中，不同階段傳熱傳質(zhì)的主導(dǎo)因素不同。初期對流傳熱和表面水分蒸發(fā)分別主導(dǎo)傳熱和傳質(zhì)過程；中期熱傳導(dǎo)和水分擴散的作用逐漸增強；后期傳熱傳質(zhì)過程逐漸趨于平衡，各因素的作用相對穩(wěn)定。這些發(fā)現(xiàn)對于深入理解明膠軟膠囊的干燥機理，優(yōu)化干燥工藝具有重要的指導(dǎo)意義。六、對流干燥過程的優(yōu)化策略6.1基于實驗與模擬結(jié)果的分析通過前文詳細的實驗研究和數(shù)值模擬分析，全面深入地掌握了加熱空氣溫度、風(fēng)速、相對濕度等因素對明膠軟膠囊傳熱傳質(zhì)性能的影響規(guī)律，這些規(guī)律為對流干燥過程的優(yōu)化提供了堅實可靠的依據(jù)。在加熱空氣溫度方面，實驗結(jié)果清晰地表明，隨著溫度的升高，明膠軟膠囊的傳熱速率和干燥速率在初始階段顯著增加。在一定范圍內(nèi)，溫度升高使得熱空氣與軟膠囊之間的溫度差增大，根據(jù)傅里葉定律和對流傳熱公式，傳熱速率加快，更多的熱量傳遞給軟膠囊，促使水分蒸發(fā)所需的能量增加，從而有效提高了干燥速率。當(dāng)溫度超過30℃時，在第二降速階段干燥速率下降，最終濕含量反而偏高。這是因為過高的溫度使軟膠囊表面水分迅速蒸發(fā)，形成一層干燥的硬殼，嚴(yán)重阻礙了內(nèi)部水分的進一步擴散。數(shù)值模擬結(jié)果也直觀地展示了在高溫下軟膠囊表面溫度迅速升高，而內(nèi)部溫度升高相對緩慢，溫度梯度增大，進一步驗證了這一影響規(guī)律?；诖耍趯嶋H生產(chǎn)中，對于脈通軟膠囊和維E軟膠囊，將加熱空氣溫度控制在30℃左右是較為適宜的選擇。這個溫度既能保證較高的傳熱和干燥速率，提高生產(chǎn)效率，又能避免因溫度過高導(dǎo)致軟膠囊表面硬化、內(nèi)部水分擴散受阻等質(zhì)量問題，確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。風(fēng)速對傳熱傳質(zhì)性能的影響同樣顯著。實驗數(shù)據(jù)顯示，隨著風(fēng)速的增大，軟膠囊的傳熱速率和干燥速率均呈現(xiàn)上升趨勢，最終濕含量降低。風(fēng)速的增加強化了熱空氣與軟膠囊之間的對流傳熱和傳質(zhì)過程，熱空氣能夠更迅速地將熱量傳遞給軟膠囊，同時及時帶走軟膠囊表面蒸發(fā)的水分，維持較大的傳質(zhì)推動力，從而提高了傳熱和干燥速率。在第一降速階段，風(fēng)速的提高對干燥速率的加快作用尤為明顯。但當(dāng)風(fēng)速過高時，如達到1.5m/s，雖然干燥速率仍在增加，但可能會帶來一些負面影響，如軟膠囊表面的水分蒸發(fā)過于劇烈，導(dǎo)致表面風(fēng)化和破裂，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。模擬結(jié)果也清晰地展示了不同風(fēng)速下軟膠囊表面的溫度分布和水分蒸發(fā)情況，進一步證實了風(fēng)速對傳熱傳質(zhì)的影響規(guī)律。因此，在實際生產(chǎn)中，需要在提高干燥效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量之間尋求平衡。對于脈通軟膠囊和維E軟膠囊，1.0m/s左右的風(fēng)速是較為合適的選擇，既能有效提高干燥速率，縮短干燥時間，又能減少因風(fēng)速過高對產(chǎn)品質(zhì)量的損害，降低次品率。相對濕度對明膠軟膠囊的傳熱傳質(zhì)性能也有著重要影響。實驗結(jié)果表明，相對濕度對傳熱過程的影響較小，但對干燥速率和最終濕含量有顯著影響。隨著相對濕度的降低，干燥速率明顯提高，最終濕含量降低。這是因為相對濕度越低，熱空氣與軟膠囊表面的水蒸氣分壓差越大，根據(jù)菲克定律，水分從軟膠囊向熱空氣擴散的速率加快，從而提高了干燥速率，降低了最終濕含量。在實際生產(chǎn)中，控制較低的相對濕度有利于提