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

квазистационарного псевдоустоичивого случая (рис. 6-5,в) при постоянной температуре греющей стенки примет вид:

L — общая толщина слоя материала; X — толщина сухо­ го слоя; Агѵ — коэффициент теплопроводности заморожен­ ного материала; Хт — коэффициент теплопроводности су­ хого материала; Rt — термическое сопротивление контак­ та между замороженным материалом и нагреваемой стенкой. Удельный поток пара {Л. 6-38]

где pso — давление над плоской поверхностью при темпе­

мость системы отвода паров (сублиматор—конденсатор);

площадь поперечного сечения образца. Принимая во вни­ мание, что сопротивление массопереноса через высушен­ ную зону велико (разность давлений ps-—psо является ма­ лой величиной), Pso и р0 можно из уравнения (6-3) ис­ ключить. Известно, что количество тепла q = Gr, где г — скрытая теплота сублимации льда.

где

k = VM/2zRcTs

Процесс сублимационной контактной сушки сопро­ вождается изменяющимся во времени сопротивлением контакта Ri [уравнение (6-4)], которое зависит от целого

247

ряда факторов: тепловой нагрузки, вакуума, размера пор, неоднородности структуры каркаса материала и т. п. В [Л. 6-38] предложена простая модель контактной суб­ лимационной сушки, в соответствии с которой весь про­ цесс делится на три периода (рис. 6-5,г).

торая происходит с неравномерно углубляющейся по­ верхности, т>3,08 ч. Этот период продолжается до тех пор, пока отдельные участки фронта -сублимации не до­ стигнут поверхности нагрева, т>4,58 ч (/?,■ = ѵаг).

П е р и о д III. Замороженный участок, расположен­ ный над поверхностью нагрева, начинает высыхать, а за­ мороженные участки в высушеной зоне диспергируются, т>5,33 ч.

Термическое сопротивление контакта Ri на границе раздела материал — нагреваемая стенка является опре­ деляющим в кондуктивной сушке сублимацией. Величи­ на этого сопротивления определяется одновременным пе­ реносом тепла по двум параллельным путям: 1) посред­ ством теплопроводности в местах контакта; 2) посредст­ вом теплопроводности пара и низкотемпературной ра­ диацией в местах отсутствия контакта.

Уменьшение термического сопротивления Ri практи­ чески возможно осуществить несколькими способами: пу­ тем увеличения давления на сушимый материал (сушка продукта, сжатого между двумя нагреваемыми плитами, к которым подается горячая вода); развитием поверхно­ сти нагрева (использование перфорированных, шипован­ ных поверхностей) *; улучшением отвода сублимирую­ щихся паров (сушка материала под давлением между двумя нагреваемыми металлическими сетками, через отверстия которых пар отводится в сублиматор). Послед­ ний способ нагрева материала (например, мясного биф­ штекса) уменьшает скорость сушки по сравнению с рас­ смотренными с 15 и 8 ч до 6 ч.

Сублимационная сушка инфракрасными лучами (ра­ диационный энергоподвод). Широко распространенным

1 Эксперименты автора показали, что использование шипован­ ных поверхностей при контактной сублимационной сушке коллоид­ ных тел (при толщинах слоя продукта свыше 10 мм) может увели­ чить скорость сушки на '20—30%.

248

в настоящее время является метод нагрева заморожен­ ного материала инфракрасными лучами. Анализ много­ численных исследований [Л. 6-27—6-31] и эксперименты автора дают возможность схематически представить про­ цесс тепломассообмена при сублимационной сушке в ва­ кууме с радиационным подводом энергии следующим об­ разом (рис. 6-6).

Ю

Рис. 6-6. Одномерная модель сублимационной сушки при термо­ радиационном подводе тепла.

сублимации; р — парциальное давление некондснснрованиых газов; pgs — парциальное давление водяного пара; ps — давление на поверхности сухого слоя; p t— давление в сублиматоре.

Поток инфракрасного излучения, пройдя через слой пара, частично отражаясь, поглощается поверхностью и проходит внутрь материала (за счет его теплопроводно­ сти). Поглощение инфракрасного излучения поверхно­ стью материала приводит к сублимации влаги, образова­ нию и развитию сухого слоя I, размеры которого непре­

2 4 9

рывно увеличиваются вслед за продвижениеім зоны суб­ лимации II в область замороженного материала.

Эксперименты автора на модели с сеткой (см. гл. 3, [Л. 3-20]) дают основание представить зону сублимации как некоторую развитую область льда мелкокристалли­ ческой структуры (в отличие от льда в замороженном материале). Толщина зоны сублимации увеличивается с ростом тепловой нагрузки и более явно выражена при повышении вакуума в сублиматоре и понижении темпе­ ратуры предварительного замораживания материала. В работе [Л. 6-15] для образца говядины была исследова­ на поверхность раздела между высушенными и заморо­ женными слоями методом рентгеноскопии. Было показа­ но, что поверхность раздела представляет собой зону, имеющую толщину меньше '5 мм, изменение влажности

вкоторой не превышает 3%' по отношению к высушен­ ному слою.

Однако в работе ![Л. 6-1] анализ срезов образца мяса

вразличные моменты времени показал, что размеры это­ го увлажняющего слоя зависят от толщины сухого слоя

и могут быть значительными. Можно предположить (в рамках анализа (Л. 6-1]), что этот слой представляет собой влагу, удерживаемую поверхностью стенок капил­ ляров материала.

Процесс сублимационной сушки коллоидных тел в форме брикетов как при терморадиационном, так и при кондуктивном энергоподводе и предварительном замора­ живании протекает аналогично рассмотренным схемам. Однако в отличие от капиллярно-пористых, в коллоидных телах в процессе сублимационной сушки происходит об­ разование и формирование капиллярно-пористого карка­ са. Структура сухого продукта (радиус пор, пористость, проницаемость и т. д.) для коллолидных тел значительно меняется с интенсивностью энергоподвода. Повышенный терморадиационный (кондуктивный) нагрев заморожен­ ного коллоидного материала в процессе сублимационной сушки увеличивает радиус пор и пористость сухого про­ дукта.

Для коллоидных тел в настоящее время широко ис­ пользуется сушка продукта в гранулах, обеспечивающая более высокое качество процесса обезвоживания. Колло­ идный материал, распыленный в низкотемпературный раствор (спирт, азот), образует мелкие замороженные гранулы, которые собираются, формируются и перемеща­

250

ются в сублиматор для обезвоживания. Гранулирование продукта предварительно создает пористую заморожен­ ную структуру, которая обеспечивает протекание процес­ са сублимации из объема продукта под действием об­ щего градиента температур (градиента давлений) и обу­ словливает лучший отвод сублимирующихся паров.

На рис. 6-6,6, д, показано распределение давлений в процессе сублимационной сушки в материале и вблизи его поверхности в вакууме для случая континуального (давление в сублиматоре выше 1 мм рт. ст.) и молеку­ лярно-вязкостного потока (давление ниже 1 мм рт. ст.) пара.

Источники инфракрасного излучения и оптические ха­ рактеристики материалов, подвергаемых сушке сублима­ цией. Теоретическое рассмотрение вопроса взаимодейст­ вия инфракрасного излучения с материалом в процессе сублимации заставляет провести анализ следующих про­ цессов:

1)поглощения инфракрасного излучения в вакууме слоем пара у поверхности материала;

2)поглощения излучения поверхностью материала (при одностороннем или двустороннем облучении) в про­

цессе сублимации;

3)передачи тепла от облучаемой поверхности внутрь материала теплопроводностью;

4)проникновения излучения внутрь материала в про­

цессе сублимации.

Вопрос поглощения (рассеивания) инфракрасного из­ лучения в вакууме слоем пара у поверхности материала изучен недостаточно1. Перенос тепла внутри материала в процессе сублимационной сушки (теплопроводность) рассмотрен в § 2-2.

Процесс проникновения и поглощения инфракрасного излучения материалом требует рассмотрения оптических характеристик продуктов, сушимых сублимацией.

Наиболее распространенными источниками инфра­ красного нагрева, используемыми в процессах сублима­ ционной сушки, являются «темные» и «светлые» излуча­ тели. К «темным» излучателям относятся керамические и металлические излучатели, изготовленные в виде труб­ чатых электронагревателей (ТЭН). Специальные лампы

1 В [Л. 6-34] величина поглощения инфракрасного излучения в вакууме слоем пара у поверхности материала считается пренебре­ жимо малой.

251