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

В приведенных соотношениях: х — расстояние от на­ ружной поверхности пластины; т — время; L(т), L ' (х) —

кость металлокерамики, заполненной водой, льдом и

ws — скорость движения воды при микропрорыве; оПж—

пластин с мелкими порами в соответствии с эксперимен­ тальными данными и расчетами параметров зоны субли­ мации в пульсационном режиме было установлено, что температура льда на поверхности испарения близка к 0°С. Амплитуда температурных пульсаций при нагруз­ ках более 2 000—3 000 вт/м2 незначительна. В соответ­ ствии с принятой моделью (рис. 5-21,6) для решения описанной задачи можно предположить:

1.Пульсации отсутствуют. Поверхность сублимации

встационарном режиме занимает постоянное положение внутри пластины L.

2.Толщина слоя льда мала, и температура поверх­ ности испарения равна 0°С.

Для двух зон — зоны смоченной керамики и зоньі, заполненной паром, — можно записать уравнения:

В полученных выражениях | = св/Д і, где J — интен­ сивность сублимации льда — воды;, св — теплоемкость воды. Так как согласно принятым предположениям зона сублимации устанавливается на определенном уровне L,

Расхождение построенных расчетных температурных полей с экспериментальными для мелкопористых пла­ стин составляет 10%.

Сушка сублимацией (вымораживанием) представляет со­ бой особый случай сушки, когда вода, находящаяся в за­ мороженном (твердом) состоянии, удаляется из материа­ ла непосредственно в виде пара.

Сушка сублимацией является более дорогим спосо­ бом обезвоживания, поэтому она применяется в тех слу-

228

чаях, когда обычные методы удаления влаги из мате­ риала оказываются неудовлетворительными. Посредством сублимации высушивают некоторые пищевые продукты (например, фруктовые и овощные соки, мясо, молоко, рыбу, чайный экстракт) и медицинские препараты (на­ пример, плазму и сыворотку крови, бактериальные и ви­ русные культуры и вакцины, антибиотики, гормоны, ами­ нокислоты, витамины, гистологические и цитологические препараты) [Л. 2-11, 2-37].

Основные преимущества сушки сублимацией заклю­ чаются в том, что этот процесс позволяет: 1) избежать химических изменений компонентов сушимого продукта (в условиях низких температур); 2) свести к минимуму

мого продукта и влияния процесса обработки на его ка­ чество.

Промышленная организация процесса сублимацион­ ной сушки требует предварительного эксперименталь­ ного исследования сушимого материала, обычно про­ текающего в следующей последовательности: 1. Замо­ раживание материала при температуре, равной или ниже температуры затвердевания. 2. Определение тем­ пературы, с которой начинается плавление заморожен­ ного продукта. 3. Определение точки полного затверде­ вания (замораживания) материала в вакууме с по­ мощью экспериментов по его электрическому сопро­ тивлению. 4. Определение начальной температуры плав­ ления высушенного материала. 5. Организация процесса энергоподвода к материалу в условиях вакуума. 6. Опре­ деление параметров вакуумной среды и источника энер­ гоподвода. Проведение процесса сублимационной сушки при температурах ниже точки начального плавления вла­ ги в материале. Поддержание температуры источника энергоподвода ниже уровня, соответствующего темпера­ туре плавления высушенного материала. 7. Введение по-

229

еле окончания сублимационной сушки в вакуумную ка­ меру газообразного азота.

Экспериментальный анализ результатов этих обшир­ ных исследований требует знания механизма различных физических процессов: кристаллизации (заморажива­ ния), свойств и связи влаги в материале при низких тем­ пературах, сублимации и конденсации (десублимации), излучения и др. Некоторые из этих вопросов будут рас­ смотрены в этой главе.

6-1. ФОРМЫ СВЯЗИ ВЛАГИ В МАТЕРИАЛЕ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА КИНЕТИКУ СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ

Влажные материалы являются капиллярно-пористыми и коллоидными телами, принадлежащими к классу связно­ дисперсных систем, в которых частицы дисперсной фазы образуют более или менее жесткие пространственные, структуры-сетки или каркасы, называемые гелями.

Все влажные материалы в зависимости от их основ­ ных структурно-физических свойств [Л. 2-11] разделяют на три вида:

Типичные коллоидные тела (эластичные гели). При удалении жидкости эти тела значительно изменяют свои размеры (сжимаются), но сохраняют свои эластичные свойства.

Капиллярно-пористые тела (хрупкие гели). При уда­ лении жидкости эти тела становятся хрупкими, мало сжимаются и могут быть превращены в порошок.

Капиллярно-пористые коллоидные тела, обладающие свойствами первых двух видов. Стенки их капилляров эластичны и при поглощении жидкости набухают. К чис­ лу этих тел принадлежит большинство материалов, под­ вергаемых сублимационной сушке.

В настоящее время предложено значительное количе­ ство классификаций форм связи воды в материалах, ко­ торые можно разделить на две группы (Л. 2-11].

К первой группе относят классификации, предложен­ ные А. В. Думанским і[Л. 6-8], Г. Р. Кройтом [Л. 6-10], В. В. Дерягиным [Л. 6-5], в основу которых положена гидрофильная частица. Авторы признают наличие трех слоев воды различной толщины вокруг поверхности ча­ стицы, а именно: адсорбированного (плотного), диффу­ зионного (граничного) и свободного слоя.

Ко второй группе относят классификации, предложен­ ные Р. П. Планком ]Л. 6-19] и П. А. Ребиндером (Л. 6-11,

230

6-12], в основу которых положен гидрофильный материал. Р. П. Планк делит воду в пищевом сырье на биохимиче­ скую и коллоидную. П. А. Ребиндер в своей обширной классификации предлагает три группы форм связи воды в материалах, а именно: химическую, физико-химическую и механическую. Он вводит понятие «структурная влага», которую рассматривает как влагу, захваченную струк­ турной сеткой коллоидной системы при ее образовании.

В основу классификации П. А. Ребиндера положен принцип интенсивности (энергии) связи воды с материа­ лом. Этот принцип имеет большое значение для анализа потери влаги материалами и продуктами в процессе их тепловой обработки, поэтому эта классификация полу­ чила наибольшее применение при анализе процессов сушки.

По величине и природе связи у воды следует разли­ чать четыре формы связи.

Химически связанная вода. Различают воду, связанную в виде гидроксильных ионов, и воду молекулярных сое­ динений типа кристаллогидратов, последняя связана зна­ чительно слабее первой.

Адсорбционно связанная вода в основном представле­ на мономолекулярным слоем на внутренних и внешних поверхностях капиллярно-пористого тела.

Капиллярно связанная вода, заключенная в капилля­ рах и ограниченная мениском, является свободной водой, за исключением тончайшего слоя воды, адсорбционно связанной у стенок капилляра. Однако при наличии ме­ нисков давление пара в капилляре отлично от давления пара над плоской поверхностью. Это понижение давле­ ния пара формально характеризует энергию связи ка­ пиллярной воды (энергия капиллярной связи не зависит от природы стенок в условиях полного смачивания и от количества воды в капиллярах).

Осмотически связанная вода — характер связи, наибо­ лее ярко выраженный в разбавленных растворах, где в отличие от энергетического связывания воды химиче­ скими и молекулярными силами связь определяется вели­ чиной энтропии. Поэтому осмотически связанную воду можно считать энтропийно связанной.

Все биологические материалы содержат как свобод-, ную, так и связанную влагу. Под свободной влагой по­ нимается такая, которая может мигрировать в материа­ ле. По мере того, как начинают образовываться кристал­

231