Файл: Лебедев Д.П. Тепло- и массообмен в процессах сублимации в вакууме.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 137
Скачиваний: 0
накаливания с внутренним рефлектором, имеющие мощ ность от 125 до 500 вт, ИК-генераторы типа НИК-ЮО, СФ-Г2 относят к «светлым» излучателям. На рис. 6-7 представлены кривые спектрального распределения из лучения различных промышленных инфракрасных излу чателей.
Рис. 6-7. Спектральные характеристики.
а — кривые |
спектрального |
распределения излучения |
промышленных |
||
инфракрасных излучателей: / — фотолампа |
3 500 °К; |
2 — лампа |
на* |
||
наливания; |
3 — инфракрасный «светлый» |
излучатель 2 200°К; |
4 — |
||
инфракрасный «темный» |
излучатель 1000°К; б — условие согласо |
вания спектральных характеристик источника излучения со спек- •
тральными свойствами облучаемого материала: |
1 — темный излуча |
||
тель с температурой 750 °С |
(^Ма к с ~ ^ |
мкм)\ |
2 — слой воды; У — |
ультрафиолетовые лучи; |
В — видимые |
лучи; |
И — инфракрасные |
лучи. |
|
|
|
В Московском институте пищевой помышленности проф. А. С. Гинзбургом и сотрудниками была разработа на методика определения оптических характеристик для трех основных состояний материала в процессе сублима ционной сушки — жидкого, замороженного и сухого. Ав торами для регистрации спектров поглощения (пропу скания) жидких, твердых и газообразных веществ в об ласти длин волн от 0,75 до 25 мкм использовался инфра красный автоматический однолучевой спектрофотометр ИКС-12.
Зная оптические характеристики материала на раз личных стадиях его сушки, можно организовать процесс
252
таким |
образом, чтобы |
в каждый период о п р е д е л е н н о м у |
|||
состоянию материала |
соответствовал |
бы |
определенный |
||
режим |
облучения |
(тип излучателя, |
его |
температура |
|
и т. д.). |
|
|
|
|
|
Вначале, когда |
материал полностью заморожен, сле |
дует использовать диапазон длин волн, соответствующий
максимальному поглощению |
инфракрасного излучения. |
|||||||||||||
В |
данном |
случае |
следует |
|
|
|
|
|
|
|||||
признать |
' целесообразным |
fco |
|
|
|
|
|
|||||||
использование в этот период |
|
|
^/1 |
|
|
|||||||||
«светлых» излучателей с диа |
|
|
|
. 2 |
|
|||||||||
пазоном длин волн от 0,75 до |
80 |
|
|
|
||||||||||
2,0 |
мкм, |
обеспечивающих |
|
|
|
|
|
|
||||||
«глубинный» прогрев |
мате |
|
|
|
|
а) |
|
|||||||
риала |
(с |
одновременным |
|
|
|
|
|
|||||||
удалением всех жидких и га |
320 |
|
|
|
|
|
||||||||
зообразных |
фракций |
|
и соз |
|
|
|
|
|
|
|||||
данием |
пористой |
структуры |
ZW |
|
|
|
|
|
||||||
материала). Для указанного |
|
|
|
|
|
|||||||||
диапазона характерна |
|
зна |
160 |
|
|
|
Л |
|
||||||
чительная |
пропускательная |
|
|
|
|
|||||||||
способность |
замороженного |
|
|
|
|
л |
|
|||||||
образца |
в |
коротковолновой |
80 |
|
|
|
|
|
||||||
области |
около 1,4—1,5 мкм |
|
|
|
|
|
т |
|||||||
и |
значительная |
поглоща |
|
- 1 |
|
1 |
|
|||||||
|
|
|
|
|||||||||||
тельная |
способность |
|
части |
0 |
1 |
2 |
3 |
Ч 5 |
6 7 8ч |
|||||
незамороженной влаги |
(око |
|
|
|
|
1) |
|
|||||||
ло 2,0 мкм). Отражательная |
Рис. 6-8. Кривые сушки при |
|||||||||||||
способность |
диспергирован |
|||||||||||||
использовании |
|
ламповых |
||||||||||||
ного материала в этом диа |
инфракрасных |
нагревателей. |
||||||||||||
пазоне |
незначительна. |
В |
а — творог; |
б — мясо; |
1 — светлый |
|||||||||
[Л. 6-4] эти соображения |
излучатель |
(^м акс*1 |
мкм)- 2 — |
|||||||||||
темный |
|
излучатель |
(^макс = |
|||||||||||
подтверждены |
прямыми |
=5 |
мкм). |
|
|
|
|
|||||||
опытами по сублимационной |
|
|
|
|
|
|
||||||||
сушке одинаковых образцов |
|
высокотемпературных |
||||||||||||
материалов |
при |
использовании |
||||||||||||
ламповых «светлых» |
и |
низкотемпературных |
«темных» |
|||||||||||
излучателей в идентичных условиях. |
исследуемых мате |
|||||||||||||
|
Как |
видно из |
рис. |
|
6-8, для двух |
риалов (творог, мясо) длительность сушки при использо вании ламповых нагревателей (7макс= 1 мкм) существен но меньше, а скорость сушки соответственно больше, чем при нагреве их излучателями более низкой температуры
(^макс = 5 М К М) .
253
При сушке |
материалов, |
обладаю щ их коллоидными |
|||||
свойствами и малопроницаемых |
для |
паров |
(например, |
||||
картофель) либо имеющих аномальные оптические свой |
|||||||
ства (например, зелень), применение высокотемператур |
|||||||
ных нагревателей |
не |
обеспечивает |
преимуществ |
перед |
|||
низкотемпературными. |
При |
образовании |
сухого |
слоя |
|||
(в момент, когда |
этот |
слой |
начинает интенсивно |
нагре |
ваться) диапазон длин волн должен быть изменен та ким образом, чтобы обеспечить максимальное пропуска ние излучения сухим слоем и максимальное его поглоще ние замороженной частью продукта. Сохранение струк туры и проницаемости сухого слоя в значительной сте пени позволяет обеспечить высокое качество готового продукта. Поэтому весьма важными являются исследо вания по изучению оптических характеристик материа лов в высушенном состоянии.
На рис. 6-9 кривая 2 представляет спектр поглощения высушенного материала в виде сухой пленки. Видно, что для сухой пленки при влажности 2—3% (пасты и за щитных компонентов) наблюдалась характерная полоса поглощения от 2 до 3 мкм. Таким образом, в процессе сушки повышение температуры «сухого» слоя в значи тельной степени обусловливалось за счет поглощения ИК-энергии водой, которая адсорбировалась на развитой поверхности этого слоя материала и создавала дополни тельные внутренние источники (стоки) тепла. Следова тельно, диапазоном, которому следует отдать предпочте
|
|
|
|
|
ние |
во |
втором |
|
периоде |
|||
|
|
|
|
|
сушки, |
являются |
длины |
|||||
|
|
|
|
|
волн примерно от 0,75 до |
|||||||
|
|
|
|
|
2 мкм и от 3 до 6 мкм. В |
|||||||
|
|
|
|
|
этом |
случае |
для |
указан |
||||
|
|
|
|
|
ного |
|
диапазона |
могут |
||||
|
|
|
|
|
быть |
использованы |
как |
|||||
|
|
|
|
|
«светлые» с температурой |
|||||||
|
|
|
|
|
поверхности |
|
|
нагрева |
||||
|
|
|
|
|
2 000—2 500 °С, |
|
так |
и |
||||
|
|
|
|
|
«темные» ИК-излучатели |
|||||||
|
|
|
|
|
(с температурой |
|
нагрева |
|||||
/ |
2 3 |
4 5 |
. м к м |
500—700 °С). |
|
|
|
|
||||
В последний |
период— |
|||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||
Рис. 6-9. Спектр поглощения |
па досушки—при |
удалении |
||||||||||
сты. |
|
состоянии; |
2 — в |
высу |
незамороженной |
|
остаточ |
|||||
/ — в жидком |
ной |
влаги |
необходимо |
|||||||||
шенном |
состоянии. |
|
|
254
обеспечить максимальное пропускание излучения сухим слоем и максимальное поглощение энергии остаточной влагой. В этой стадии сушки могут применяться «тем ные» инфракрасные излучатели с температурой нагрева 300—350°К, что обеспечит на последней стадии сушки «мягкий» нагрев до заданной конечной влажности.
Для выбора дозы подводимой энергии, а также опти мального диапазона в каждом конкретном случае необ ходимо провести экспериментальную проверку как на лабораторных, так и на промышленных установках с ис пользованием выбранных ИК-генераторов в указанных диапазонах длин волн.
Интенсификация и оптимизация процесса сушки тре буют получения хорошего совпадения спектральных ха рактеристик излучателя (спектральной области излуче ния) со спектральной областью поглощения, свойствен ной облучаемому объекту.
Анализ спектров поглощения пищевых продуктов, во ды и льда показывает, что при решении большинства практических задач инфракрасного нагрева эффективной является только определенная, хотя достаточно широкая, область длин волн (рис. 6-7, кривая 2 ирис. 6-9). Однако не существует селективных инфракрасных излучателей, т. е. излучателей, полоса излучения которых может быть точно приспособлена к вполне определенной полосе по глощения материала. Некоторое перемещение максимума излучения в области излучения «светлого» и в меньшей мере «темного» излучателя может быть достигнуто путем изменения температуры излучающей системы. Как пока зывают исследования, проведенные в Молдавском НИИПП, при изменении напряжения от 220 до ПО в максимум длины волны спектра излучения софитной лампы СФ-12 (светлый излучатель) меняется в пределах 1,49—1,71 мкм; для ТЭН — в пределах 5,2—8,6 мкм.
На рис. 6-7 показано условие выполнения согласова ния источника излучения со спектральными свойствами облучаемого слоя воды.
В настоящее время экспериментального материала по оптическим свойствам пищевых продуктов накоплено еще слишком мало. Известные экспериментальные результа ты достаточно противоречивы.
Исследования по определению оптических свойств пи щевых продуктов, высушенных методом сублимации, про веденные в Московском технологическом институте пище
255
вой промышленности и МНИИПП, показали, что в об ласти длин волн 0,6—2,4 мкм имеет место отражение и пропускание света. Так, например, в указанном спектре излучения софитной лампы и ТЭН облучаемый объект (фруктовое пюре) обладает отражательной способностью,
составляющей 30—40%. Пропускание |
в этой |
области |
|
спектра отсутствует. |
Поглощение составляет |
60—70%• |
|
В области спектра свыше 2,4 мкм пищевые продукты |
|||
пропускательной способностью не обладают. |
|
||
Установлено, что отражение зависит от влажности и |
|||
структуры продуктов |
сублимационной |
сушки. |
|
При экспериментальном исследовании терморадиаци онных характеристик термолабильных материалов было обнаружено, что ИК-излучение, помимо теплового, ока зывает и биологическое воздействие на эти материалы.
В связи с этим целесообразно в дальнейшем исследо вать влияние спектрального состава инфракрасного из лучения на сохраняемость термолабильных материалов. Это позволит выбирать требуемый тип ИК-генератора также с учетом качественных показателей готового про дукта К
6-4. КИНЕТИКА, М ЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА, ВИДЫ ПЕРЕНОСА ВЛАГИ И ПАРА И ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ
Кинетика процесса сублимационной сушки. Кинетика суб лимационной сушки определяется единым механизмом связанных между собой процессов:
1) переноса тепла и влаги внутри материала (вну тренняя задача);
2)переноса сублимирующихся паров от поверхности сублимации к поверхности материала (внутренняя за дача) ;
3)переноса (истечения) сублимирующихся паров от поверхности материала в пространство вакуумной каме ры (внешняя задача).
В (Л. 2-11] исследовалась сублимация влаги из квар цевого песка (модельное капиллярно-пористое тело) и торфа (капиллярно-пористое коллоидное тело) при тер морадиационном подводе тепла. Размеры образцов со ставили 55x55x10 мм. Эксперименты проводились при
1 При выборе излучателя необходимо • учесть не только опти мальные значения Я и оптические характеристики материала, но и габариты и допустимые для данного материала тепловые потоки,
256
вакууме от 2 до 0,2 мм рт. ст. Материалы сушились без предварительного замораживания, температура конден сации во всех случаях была —70°С. 'Кривые сушки и из менения температуры по слоям образцов песка и торфа представлены на рис. 6-10. Анализ полученных экспери ментальных результатов показывает, что кривую сушки можно разбить на три периода: Период самозамораживания, период постоянной скорости сушки и период па-
Рис. 6-10. Кинетика сушки сублимацией при замораживании в ва кууме и терморадиационном подводе тепла (эксперим. М. И. Вербы).
а — кварцевый песок |
(/=0,35 |
кг/(м? • ч); |
рк=0,42 |
мм рт. |
ст.); 6 — торф (/= |
=0,585 кгІ(мг -ч); рк=0,38 мм |
рт. ст. ); О — период самозамораживания; /, // — |
||||
периоды постоянной |
и падающей скорости |
сушки; |
1 — w; |
2 —t. |
дающей скорости сушки. В период вакуумирования и са мозамораживания материала происходит процесс бурно го испарения влаги, что определяет резкое понижение его температуры. В этот период в песке удаляется до 20% влаги, в торфе 40—50%. Сравнение температурных кри вых рассматриваемых материалов показывает, что для коллоидно-капиллярно-пористого тела (торф) в процессе сушки наблюдается неравномерное возрастание темпера туры по слоям. Это можно объяснить пульсационным ха рактером перемещения влаги в материале к зоне субли мации. Из приведенных результатов видно, что, начиная с периода постоянной скорости сушки, имеет место зна чительный температурный градиент по толщине мате риала.
На рис. 6-11 представлены диаграммы, полученные в [7-19], при кондуктивной сублимационной сушке био массы (хлореллы), предварительно замороженной в про-
17—175 |
257 |
Cd |
О |
|
|
|
^ g я- gS |
|
|
|
|
сз I к § зГ I |
|||||||
as |
5 |
|
|
|
|
|
|
|
Scsа |
|
зг to |
||||||
ч |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
к * |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
COо I |
5 |
|
|
|||
|
w |
|
|
|
К |
й |
cd |
|
|
|
|
|
|
||||
° а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
' & |
g |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ГѴJ3 Co |
|
|
|
||
|
|
|
cd |
Я |
|
|
|
|
|
о Jg |
) |
аигЯ. |
|||||
|
|
|
|
|
ч |
|
|
|
|
|
~ О |
||||||
CdЭ |
|
|
|
<Р |
>»3 |
s |
|
|
|
|
|
|
|
È |
P |
|
|
|
|
|
|
C'l |
•- |
g |
«3^ |
cd |
I |
|
|||||||
|
cd |
|
|
|
|
^ |
g |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
Н \о |
|
|
|
|
|
«и |
. ю |
|||||
|
|
|
|
I CQ |
Ö& |
I P |
|
4 |
<* |
|
|||||||
й |
\о |
|
|
ro |
о |
|
, |
*" Л i ■ е I I |
|||||||||
S |
|
|
:, |
e> |
ч |
|
|
|
|
4 |
Э |
1 * 3 * ^ |
|||||
|
|
|
|
^ |
CdA |
|
H |
|
|
|
|
|
|
Я |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
' |
° |
I |
||
|
|
|
|
1 £-, |
|
|
|
|
|
|
|
|
я |
|
|||
^Я |
gа *=1 |
S |
: |
|
|
_ |
з |
|
|
“ H S f e |
~ѴЗ |
||||||
|
|
|
|
— Я |
|
||||||||||||
|
|
£ > S |
<У |
л Ü * |
^ |
|
|
|
s |
* |
|
|
О .. |
||||
—^ о |
|
|
|
ja Sg5 |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
ч |
|
|||||||||||
|
|
се щs |
* |
|
|
оо О |
|
|
|
|
|
Я |
«J |
X |
|||
|
|
|
о. а® |
|
|
|
CO |
‘ |
fr |
5 |
|
|
|||||
СО о |
, , |
*я |
Й cdн cdе-сюЛо «О |
<N |
|
|
e i |
- 1 |
|
|
|
|
|||||
|
|
2 « |
|
|
|
||||||||||||
'Т »s |
|
|
|
|
|
|
|
^ |
|
|
|
JE |
**® |
7в ч4 |
|||
|
|
|
|
|
С В » ч |
I |
|
«О |
c ; |
g |
|
|
4хрю |
||||
|
я |
' * |
о |
А А I |
cd |
« o |
|
|
|
|
|||||||
|
<D |
dJ |
|
|
|
|
|
|
£ |
|
|||||||
|
|
|
cd |
м |
|
|
|
|
Ьч |
CO |
|
|
|
|
|
|
|
аg |
ëя |
А |
S |
С |
f-t |
|
|
|
I |
№Я К о |
|
|
|
||||
|
|
|
о - е * |
S |
Й |
I' cd |
|
11 |
|
П а |
н |
я е- 1 7I |
|||||
|
|
- P o |
|
<D |
<V |
* X |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
о. ю я |
» |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sі/(мг-сек)
ь»
У ^
}
«о
3“
СП
в о 1 6 0 г ч о м и н о в о w o г ч о м и н о в о ѣ о г ч о м и н о в о т г ч о м и п
‘58