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: 128
Скачиваний: 0
казали, что в интервале температур —23ч— 1°С равно весное давление пара говядины приблизительно на 20% ниже, чем давление пара чистого льда при той же тем пературе (рис. 6-16). Этот результат объясняется с по мощью простой модели, которая идеализированно пред ставляет бычий мускул как поперечно связанную ионную сетку, которая содержит не только растворимые и подвижные ионные составные части, но также ионы и дру гие гидрофильные группы, которые, непрерывно сопри касаясь с сеткой, в зависимости от температуры замора живания могут находиться как в жидком, так и в замо роженном состоянии. Точно так же энтальпии фазового
перехода |
замороженного |
бычьего |
мускула |
(Лі = |
|
= 2 680 кал/моль) |
и замороженного мясного сока |
(Ai' — |
|||
= 1030 кал/моль) |
отличаются от теплоты фазового пере |
||||
хода льда. |
энтальпии |
М* = Аі—ДГ=1 650 кал/моль |
|||
Избыток |
|||||
представляет собой согласно принятой |
модели дополни |
тельное тепло гидрации ионов и групп гидрофильных це
пей, |
отнесенное |
на |
моль |
воды, |
когда вода находится |
|||
внутри межклеточного вещества ткани мяса. |
|
|||||||
Автором и Ле-Куэ-Ки с помощью крыльчатого ане |
||||||||
мометра |
(см. гл. 3, § 3-5) |
был исследован |
профиль сво |
|||||
бодной |
струи |
над |
поверхностью |
сублимирующегося |
||||
льда и капиллярно-пористого |
тела при кондуктивном |
|||||||
подводе |
тепла |
(рис. 6-17). Как видно, профиль свобод |
||||||
ной струи зависит |
от величины |
энергоподвода, глу |
||||||
бины |
вакуума |
и способа |
замораживания. |
Вне границ |
свободной струи скорость потока газа крыльчатым анемометром не фиксировалась. Скорость газа на полу
ченных |
границах |
свободной |
струи соответствует на |
чальной |
скорости |
вращения |
крыльчатого анемометра |
(см. гл. |
3, рис. 3-18). |
|
Как показывает анализ работ большинства исследо вателей, в диапазоне используемой ими мощности энер гоподвода и рабочего вакуума высота свободной струи сублимирующегося пара была несоизмеримо меньше, чем характерный размер вакуумной камеры (высота, диаметр). Это еще раз подтверждает отсутствие воз никновения каких-либо конвективных потоков в объеме сублиматора и их воздействия на процесс сублимации (при вакууме выше 1 мм рт. ст.). С понижением ваку ума ниже 1 мм рт. ст. некоторый незначительный вклад в теплообмен в процессе сублимационной сушки вносит
274
ся тепловодностью и конвекцией [Л. 6-37]. В этом слу
чае зона |
свободной струи подходит |
непосредственно |
к внешней |
поверхности материала. Как |
отмечалось ра |
нее (гл. 5), в данном случае поверхность материала яв
ляется |
границей, |
где перестраивается |
течение |
пара из |
|||||||
капилляров в течение пара в вакууме. |
|
|
|||||||||
|
Вследствие того, что скорость потока внутри свобод |
||||||||||
ной |
струи |
|
сублимирующегося |
пара |
весьма |
значи |
|||||
тельна |
(рис. |
6-17), |
внедрение |
из вакуумной |
камеры |
||||||
в |
капиллярно-пористыи каркас |
материала каких-либо |
|||||||||
посторонних |
молекул |
|
|
|
|||||||
газов |
(кроме , напри |
|
|
|
|||||||
мер, |
гелия) |
при |
вакуу |
|
|
|
|||||
ме |
выше |
1 |
|
мм |
рт. ст. |
|
|
|
|||
в любой |
стадии |
субли |
|
|
|
||||||
мационной |
сушки |
ма |
|
|
|
||||||
ловероятно. |
|
Сущест |
|
|
|
||||||
вующее |
представление |
|
|
|
|||||||
о |
некоторой |
интенси |
|
|
|
||||||
фикации |
процесса суб |
|
|
|
|||||||
лимационной сушки пу |
|
|
|
||||||||
тем |
вдува |
воздуха |
мо |
|
|
|
|||||
жет |
объясняться |
лишь |
|
|
|
Рис. 6-17. Изменение про филя свободной струи в про
цессах |
сублимации |
и |
кон |
||
тактной |
сублимационной |
||||
сушки. |
|
|
|
|
|
а — сублимация |
льда, |
<7= |
|||
«=508 вт/м2, |
р=0,1 |
мм |
рт. |
ст., |
|
Ті=10 |
мин; |
т2=20 |
мин-, |
т3= |
|
=30 мин; 6 — сублимация |
льда, |
<7=508 вт/м2, р=0,05 мм рт. ст.,
Ті=7 |
мин-, |
Т2=20 мин-, в — суб |
||
лимационная сушка |
кварцевого |
|||
песка |
(самозамораживание |
в |
||
вакууме), |
р = 508 |
вт/м2, |
р= |
=0,1 мм рт. ст., Ті=13 мин-, т2= =20 мин-, тг3=25 мин-, т(=40 мин;
Т5=60 |
мин; Тб=70 мин; г — суб |
||||
лимационная |
сушка |
кварцевого |
|||
п еск а |
(предвари тельн ое |
зам о - |
|||
мм рт. |
ст., |
вт/м2, |
мин; |
||
р а ж и в а н и е ), |
<7=508 |
Р - |
|||
мин; |
|
*4— |
|||
Т2=32 |
мин; |
Тз=43 |
Т і=20 |
|
|
=70=0,1 |
мин; |
Ts= 110 |
мин; |
|
*«- |
= 130 |
M U H ; |
Т7—225 |
мин; |
|
|
мин, |
|
|
|
||
=245 |
|
|
|
|
|
18* |
275 |
|
некоторой |
активизацией факела |
сублимации свобод |
ной струи, |
т. е. изменением |
перепада парциаль |
ных давлений на ее фронте и в сублиматоре. Этим же можно объяснить некоторую интенсификацию процесса сублимации при упругих колебаниях сублимирующего материала.
Значительные градиенты давлений водяного пара, возникающие в процессе сублимационной сушки, и су
ществование свободной |
струи |
сублимирующегося |
па |
ра над поверхностью |
капиллярно-пористого (коллоид |
||
ного) тела подтверждают, что |
основой переноса |
пара |
в этом процессе является либо гидродинамический по ток, вследствие градиента полного давления через вы сушенный слой, либо градиент парциального давления водяного пара.
При полном исчезновении льда из капиллярно-пори стого каркаса в процессе удаления связанной влаги со стенок капилляров (третий период сушки, рис. 6-6,г) возможно развитие процесса диффузии. В этом периоде сушки продукта ароматические компоненты и смеси различных газов, концентрация которых ранее в субли мирующемся паре была незначительна, становятся весь
ма существенными. |
скорость |
сушки |
|
В [Л. 6-33, |
6-37] указывается, что |
||
ограничена теплообменом при низких давлениях |
(ниже |
||
1 мм рт. ст.) |
и массообменом при |
0 мм |
рт. ст. |
Причины этого определяются влиянием давления на теп лопроводность и на эффективный коэффициент диффу зии в высушенном слое продукта (см. § 2-3, рис. 2-20).
А. В. Лыковым [Л. 2-11] показано, что для всего про цесса сублимационной сушки (сублимация, десорбция) уравнение для потока влаги и пара внутри тела может быть записано в виде
|
J = — am?0(v« — |
ѵр, |
(6-30) |
где |
dm — коэффициент нотенциалопроводности |
матери |
|
ала; |
б — термоградиентный |
коэффициент; и — влаж |
ность; Т — температура; р — давление.
Для периода сублимации (процесс самозаморажи-
вания) можно пользоваться соотношением |
|
/ = — kpѵ р = — арсвПур, |
(6-31) |
276 |
' |
где ар — коэффициент конвективной диффузии влаги; П — пористость; св — пароемкость капиллярно-пористо го тела.
Основные уравнения тепло- и массообмена в процес сах сублимационной сушки. Проведенный анализ меха низма сублимационной сушки показывает, что процесс сублимационного обезвоживания достаточно сложен. Поэтому применительно к практическим приложениям требуются различные физически обоснованные прибли жения в его расчетных схемах и моделях.
Работа [Л. 6-26] является одним из первых всесто ронних исследований роли тепломассообмена в процес
се сублимационной |
сушки пищевых |
продуктов. В |
ней |
|
использована одномерная |
модель с |
теплообменом |
по |
|
средством излучения |
к |
поверхности |
образца, откуда |
тепло передавалось в зону сублимации теплопроводно стью. Предполагалось, что температура на поверхности постоянна, температурный профиль в высушенном слое линейный, поток от поверхности сублимации в вакуум определяется гидродинамическим переносом пара. В [Л. 6-30] представлены решения для температурного распределения в высушенном слое материала и зависи мость границы раздела (лед — сухой слой) как функции времени. Температуры поверхности материала и фрон та сублимации считались постоянными. Пренебрегалось влиянием массообмена в высушенном слое.
В [Л. 6-27] даны усовершенствованные решения для времени и скорости сушки в предположении, что внут реннее течение пара находится в переходном режиме. В [Л. 6-16] приближенно рассчитано время сушки для всех режимов течения пара. Было показано, что для вну тренней задачи роль конвекции мала по сравнению
степлопроводностью.
В[Л. 6-32] приведены обширные аналитические ис
следования для определения механизмов тепломассооб мена бинарных смесей применительно к сублимацион ной сушке. В (Л. 6-29] поставлена задача и дан способ расчета положения поверхности раздела, поверхност ной температуры продукта и времени сушки. Указано, каким образом следует менять температуру нагревате ля, чтобы поддерживать температуру поверхности су хого слоя продукта ниже температуры пригорания. Про деланы расчеты с целью показать влияние температуры нагревателя и пористости продукта на время сушки.
277
В [Л. 6-31] рассматривается внешняя задача тепло массопереноса в пористых каналах применительно к сушке сублимацией. В работе делается попытка ис следовать теплопередачу от поверхности нагревателя к поверхности пористого тела. Физическая модель пред ставляет собой бесконечной глубины канал длиной / и шириной а. Пористой стенкой является поверхность про дукта. Для получения распределений давления, скоро сти и температуры в канале используются интегральные уравнения. Вследствие низкой плотности водяного пара число Рейнольдса достаточно мало, поэтому предпола гается, что поток ламинарный. Поскольку сублимаци онная сушка является очень медленным процессом, в на стоящей работе для уравнений переноса используются квазистационарные решения.
В [Л. 6-33, 6-34, 6-37] для случая одномерной задачи дается аналитическое описание процессов сублимацион ной сушки в присутствии неконденсированных газов. Исходя из анализа возможных пористых структур пи щевых продуктов, в [Л. 2-58] предлагается идея расчета их теплофизических свойств с дальнейшим использова нием в аналитических расчетах.
В [Л. 6-35] методами электрической аналогии иссле дуется процесс сублимационной сушки. Исходя из про стейшей модели сублимационной сушки (рис. 6-6), авто ры предлагают ее электроаналог.
Одномерная физическая модель, используемая в ука занных работах для теоретического анализа обезвожи вания материала сублимацией, представляется в виде двух слоев — сухого и замороженного, отделенных по верхностью раздела, и была рассмотрена на рис. 6-6. Предполагается, что течение пара от поверхности суб лимации через высушенный слой происходит по прямым цилиндрическим трубчатым капиллярам с одинаковыми сечениями. Чтобы учесть влияние извилистых путей и препятствий при течении пара, обусловленных структу рой высушенного слоя, вводится коэффициент извили стости ф, определяемый как отношение длины капилля ра I к толщине образца 6:
|
ф = //6. |
(6-32) |
Пористость и извилистость связаны |
между собой |
|
соотношением |
rind2 |
|
П = . |
(6-33) |
|
|
4 |
|
278