Файл: Лебедев Д.П. Тепло- и массообмен в процессах сублимации в вакууме.pdf

Д. П. ЛЕБЕДЕВ Т. Л. ПЕРЕЛЬМАН

Тепло-

нм а ссо о б м е н

«Э Н Е Р Г И Я»

МОСКВА 1973

ПРЕДИСЛОВИЕ

Изучение процессов тепло- и массообмена при сублима­ ции в вакууме льда — воды (ниже тройной точки) или растворов в капиллярно-пористых и коллоидных телах имеет важное значение не только для установления оп­ тимальных режимов сушки пищевых продуктов или фар­ мацевтических препаратов в замороженном состоянии, но представляет интерес и для ряда объектов новой техники.

В развитии научных исследований в этой области большое значение имеют работы советских и зарубеж­ ных ученых.

Однако ввиду многообразия рассматриваемых про­ цессов, сложности их аналитического и эксперименталь­ ного исследования они еще недостаточно изучены.

Внастоящее время публикации исследований по тепло- и массообмену в процессах сублимации в вакууме приводятся в различных научно-технических журналах.

Вмонографии делается попытка обобщения экспе­

риментальных результатов основных опубликованных работ в данной области, имеющих общенаучное значе­ ние, с целью создания единых представлений о механиз­ ме этих сложных явлений, дальнейшего более успешного теоретического изучения и рационального практического применения.

В гл. 1—3 монографии приведены некоторые гидро­ динамические,. термодинамические и теплофизические сведения о свойствах замороженных тел и льда; пред­ ставлены данные о современной технике эксперимен­ тальных исследований процессов сублимации. Указано развитие экспериментальных установок, методов и при­ боров для научных измерений и исследований этих сложных процессов, требующих полной автоматизации управления экспериментом.

В гл. 4—6 рассматриваются экспериментальные и теоретические исследования процессов сублимации бри-

3

кетов льда — воды, сублимации льда из проницаемых пластин, из капилляров и капиллярно-пористых коллоид­ ных тел в вакууме.

Такое расположение материала позволило показать общие физические закономерности непрерывной и пе­ риодической сублимации и особенности процессов суб­ лимации для различных способов энергоподвода и форм связи льда с каркасом для тел, имеющих различные структурно-механические характеристики.

В гл. 5 и 6 также приводятся исследования свобод­ ной струи пара у поверхности сублимации в вакууме, которые позволяют объяснить физику этого сложного явления и более точно подойти к постановке граничных условий при решении общей задачи тепло- и массообмена.

Вгл. 6 приводятся результаты исследований субли­ мационной сушки материалов в замороженном состоя­ нии и акцентируется внимание на взаимосвязи процес­ сов сублимации и десублимации, которая обеспечивает эффективность способа сублимационной сушки.

Вгл. 7 приводятся исследования по интенсификации сублимации в процессах сушки: в поле токов высокой частоты, при вибросушке, при сушке в распыленном

состоянии в вакууме и дается оценка этих способов сублимации, а также сделана попытка дать физическое объяснение этих сложных процессов на основе экспери­ ментальных теплофизических исследований.

Авторы выражают глубокую благодарность акад. А. В. Лыкову и проф., доктору техн. наук Г. И. Воронину за ряд ценных советов и пожеланий при работе над рукописью, доктору физ.-мат. наук проф. А. А. Гухману за активное участие в обсуждении ряда проблем, рас­ смотренных в монографии, проф. доктору техн. наук А. С. Гинзбургу и доктору техн. наук М. К. Бологе за предоставленный ими материал, использованный в руко­ писи, а также канд. техн. наук В. Д. Виленскому за тщательное редактирование рукописи.

Д. П. Лебедевым написаны § 1-1—1-3, гл. 2, 3,

§4-1—4-4, гл. 5—7.

Т.Л. Перельманом написаны § 1-4 и 4-5.

Авторы

1-1. ОБЩ ИЕ СВЕДЕНИЯ

Переход вещества из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу, называют сублимацией. Сублима­ ционная сушка представляет процесс обезвоживания материала в замороженном состоянии (сублимация за­ мороженной водяной субстанции *, находящейся внутри капиллярно-пористого и коллоидного тела).

На р-'Сдиаграмме состояния воды (льда) имеются точки, в которых сосуществуют одновременно три фазы,

в ней примеси, находящиеся в состоянии льда и в жидкой фазе.

5

Пунктирной кривой OB' показано давление насыщен-'

в твердом состоянии при постоянном давлении ниж* давления тройной точки (вдоль прямой KDE), то про­ изойдет испарение твердого тела (линия DE), называе­ мое возгонкой или сублимацией. При охлаждении пара вдоль указанной прямой будет иметь место кристалли­ зация вещества непосредственно из парообразного со­ стояния (линия ED), называемая десублимацией или иногда аблимацией. Испарение твердого тела может происходить при давлении выше давления в тройной точке, но в этом случае твердое тело не может быть в равновесии со своим насыщенным паром по кривой сублимации OB.

1-2. ОБЛАСТИ ВАКУУМА (РАЗРЕЖ ЕНИЯ)

Для оценки факторов и закономерностей процессов тепло- и массообмена, протекающих при остаточных давлениях, возникает необходимость разделить всю область низких давлений на зоны, в которых действуют различные закономерности.

Нормальный. Промежуточный

Вакуум,мм рт .ст .

В прикладной технической физике применяется деле­ ние областей пониженного давления на несколько зон,

льда от давления, разделена на две основные зоны: зона

6

парообразования, лежащая выше тройной точки (0,01 °С и 4,58 мм рт. ст.), соответствующая основному или нор­ мальному разрежению, и зона сублимации (ниже трой­ ной точки). При вакуумной сушке основную зону, соот­ ветствующую нормальному вакууму, разбивают также на зону грубого вакуума и на промежуточную зону. Грубый вакуум можно получить в промышленных

явдяется естественной границей между вакуумной суш­ кой, при которой удаление влаги в материале происхо­ дит щри испарении жидкости в вакуум, и сублимацион­ ной сушкой, сопровождающейся сублимацией заморо­ женной влаги в продукте, минуя жидкую фазу1. На рис. 1-2 области сублимации разделены на зоны высо­ кого и глубокого вакуума, соответствующие молекуляр­ но-вязкостному и молекулярному течению пара в субли­ мационной вакуумной камере. Это деление на высокий и глубокий вакуум, соответствующее различным режи­ мам течения паров, является условным. При сублимации режимы течения сублимирующихся паров в материале при различной его пористости могут отличаться от ре­ жима течения в сублиматоре.

1-3. РЕЖИМЫ ТЕЧЕНИЯ РАЗРЕЖ ЕННЫХ ГАЗОВ. ЧИСЛО КНУДСЕНА

В настоящее время' в основу классификаций течений разреженного газа положены значения числа Кнудсена, определяемого как

(а иногда также для систем с конечными хі и х2) число Кнудсена должно быть заменено (или дополнено) «локальным числом Кнудсена», которое является мерой

1 При этом не принимается во внимание возможность непосред­ ственного испарения небольшого количества переохлажденной жидкости, содержащейся в сушимых материалах, даже при отрица­ тельных температурах.

7