где
f /« __ Ae-1* + |
Be~l* + Се~с>' |
I ІЧ |
D |
Из (6-61) — (6-65) упрощенная формула для инже нерных расчетов продолжительности процесса десубли мации (с использованием полученных эксперименталь ных данных по X, р и Tg) определяется как
т = 0 ,1 0 9 ^ Ч 2. |
(6-66) |
Уравнение с точностью до 10% определяет время десублимации слоя льда заданной толщины в интервале давлений от 2 мм рт. ст. до 5 - 10~2 мм рт. ст., при тем
пературе стенки —30°С и скоростях потока пара до 12 м/сек.
Как видно из уравнения (6-66), закономерность из менения координаты фронта от времени при развитии слоя десублимированного льда подобна аналогичной закономерности в задаче Стефана о промерзании грунта.
Г Л А В А ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ
СУБЛИМАЦИИ ПРИ СУШКЕ МАТЕРИАЛОВ
7В ЗАМОРОЖЕННОМ СОСТОЯНИИ
ВВАКУУМЕ
7-1. СУБЛИМАЦИЯ В ПОЛЕ ТОКОВ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ (СВЧ-ЭНЕРГОПОДВОД)
Интенсификация процесса сублимационной сушки определяется воз можностью подвода тепла в зону сублимации с целью создания в материале максимально допустимых (в отношении индивидуальных технологических свойств и качества продукта) градиентов темпера тур и давлений, которые приводили бы к резкому возрастанию в нем объемного испарения. Однако процессы заглубления зоны сублима ции и образования высушенного слоя материала при кондуктивной и терморадиационной сублимационной сушке затрудняют реализацию этих теоретических принципов. Такие возможности имеются лишь при сублимации в поле токов высокой частоты (методе сверхвысоко частотного микроволнового энергоподвода — СВЧ-энергоподвода).
Нагрев токами высокой частоты имеет следующие принципиаль ные преимущества ц особенности.
1. Сокращается продолжительность процесса и повышается про изводительность используемого оборудования. Например, при обез воживании сублимацией в вакууме мясного бифштекса при СВЧ-энер- гопроводе в пределах 0,21—1,39 кет-сек на 1 г влаги время сокра щается в 3 раза по сравнению с использованием кондуктивного энер гоподвода (нагрева материала на плите при тех же параметрах в вакуумной камере).
На рис. 7-1 представлены кривые сушки в вакууме мясного биф штекса при использований различных видов энергоподвода: контакт ного нагрева на полках; контактного нагрева под давлением между двумя металлическими пластинами; нагрева инфракрасными лампами
(четыре |
500-ваттные лампы, |
расположенные |
на |
расстоянии 150— |
200 мм) |
и СВЧ-энергопоідівода. |
Как видно из |
рис. |
7-1, наиболее эф |
фективным методом энергоподвода,- при котором время сушки сокра
тилось во много раз, является нагрев продукта токами высокой ча стоты.
2. Обеспечивается равномерная и эффективная обработка про дуктов независимо от их формы и толщины слоя.
В работе [Л. 7-2] указывается, что эффект снижения продолжи тельности времени процесса сушки особенно ощутим для образцов
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
толщиной |
выше |
10 |
мм. |
Так, |
|
|
|
|
|
|
для образца толщиной 25 мм |
|
|
|
|
|
|
время |
процесса |
|
сокращается |
|
|
|
|
|
|
примерно |
в |
10 раз. |
|
|
для |
|
|
|
|
|
|
3. |
Создаются |
условия |
|
|
|
|
|
|
проведения |
сушки |
при |
более |
|
|
|
|
|
|
низких |
температурах |
высушен |
|
|
|
|
|
|
ного слоя материала, что дает |
|
|
|
|
|
|
большую |
возможность |
сохра |
|
|
|
|
|
|
нить вкусовые и |
ароматические |
|
|
|
|
|
|
свойства |
продукта. |
|
на |
оче |
|
|
|
|
|
|
Однако, |
несмотря |
|
|
|
|
|
|
видные |
|
преимущества |
СВЧ- |
|
|
|
|
|
|
энергоподвода, |
он |
имеет |
и |
|
|
|
|
|
|
серьезные |
недостатки: |
значи |
|
|
|
|
|
|
тельный удельный расход элек |
Рис. 7-1. Кривые сушки мясного |
троэнергии, |
усложнение |
я |
удо |
рожание |
эксплуатации. |
Поэто |
фарша в вакууме. |
|
|
му СВЧ-энергоподвод |
рекомен |
1 — контактный |
нагрев |
на |
полках; |
дует использовать |
прежде |
все |
2 — СВЧ-энергоподвод; |
3 |
— нагрев |
го для |
удаления |
из материала |
инфракрасными |
лучами; |
4 — контакт |
ный |
нагрев |
под |
давлением. |
|
остаточной |
влаги. |
В |
условиях |
ся |
вначале |
с |
|
|
|
.вакуума материал высушивает |
использованием традиционных |
методов |
энергопод |
вода (радиация, кондукция), а затем подвергается воздействию ультракоротких волн, которые вызывают ускорение удаления остав шейся влаги.
До настоящего времени СВЧ-энергоподвод не вышел за рамки лабораторных исследований также и по причине серьезных трудно стей, связанных с установлением режимов подвода энергии на раз ных этапах процесса сушки. Отсутствие приемлемого метода измере ния температуры внутренних слоев материала, весьма поверхностные ■представления о поглощении высокочастотной энергии заморожен ным материалом в процессе его обезвоживания и о механизме внут реннего массопереноса в значительной степени затрудняют регули рование генерируемой в материале мощности, что приводит либо к порче продукта (микровзрывам в материале и его разрушению), либо к увеличению продолжительности процесса даже по сравнению с традиционными методами. В работе {Л. 7-1] указывается, что та кое положение объясняется тем, что во всех исследованиях субли мационной сушки с СВЧ-энергоподводом режим подвода энергии определялся так же, как и при других методах, путем изменения
мощности источника энергии без учета структуры материала, его влагосодержания, температуры и т. д.
Применение сверхвысокочастотной энергии в значительно боль шей степени зависит от изменения структуры материла, его темпера туры и влагосодержания, которые приводят к изменению электрофи зических свойств сушимого продукта Е весьма широких пределах и соответствующему изменению условий трансформирования энергии электромагнитного поля в тепловую.
Генераторы СВЧ-энергии. Рассмотрим некоторые особенности СВЧ-нагрева и требования, предъявляемые к генераторам СВЧ-энер- гии [Л. 7-1, 7-7, 7-9, 7-10], применительно к процессу сублимации.
Мощность, выделяемая в единице объема диэлектрика, поме щенного в переменное электрическое поле, определяется по формуле
|
|
|
|
|
|
|
|
Qv = 5,56 • 10“ 13E2f в tg б, |
|
(7-1) |
где Е — напряженность |
электрического |
поля, в\см\ |
f — частота, |
гц\ |
в — диэлектрическая проницаемость; tg б — тангенс |
угла |
диэлектри |
ческих потерь. Величину £= e tg 6 |
принято |
называть фактором |
по |
терь. Из формулы (7-1) |
следует, |
что |
для |
любого |
диэлектрика |
при |
фиксированной частоте |
мощность |
|
которую можно |
выделить |
в единице объема, ограничена значением пробивного напряжения Е. Несмотря на то, что в диапазоне частот 1—100 Мгц в 1 смъ материа ла удается выделить мощность всего лишь порядка нескольких де сятых долей ватта, этого оказывается достаточно для успешного применения указанных частот при нагреве и сушке ряда материалов при атмосферном давлении.
|
|
|
Т а б л и ц а 7-1 |
Источники высокочастотной энергии [Л. 7-11] |
|
Источник |
|
Энергия |
Мощность, кет |
Диэлектрические |
на- |
13,56+6,78 кгц |
От 500 |
греватели |
|
27,12+160,0 кгц |
|
|
|
40,68+20,00 кгц |
|
Магнетроны и |
клис- |
915,00+25 Мгц |
От 0,1 до 5,0 |
троны |
|
2 450,00+50 Мгц |
|
|
|
5 850,00+75 Мгц |
|
|
|
18 000,00+150 Мгц |
|
В вакууме максимальные значения Е определяются не столько физическими свойствами материала, сколько электрической прочно стью межэлектродного вакуумированного пространства рабочего участка. Так как на указанных частотах не удается выделить доста точное количество энергии в единице объема материала, то обычно идут по пути повышения частоты. В настоящее время можно считать установленным, что для целей энергоподвода при сублимации приго ден диапазон частот (1—3) - ІО9 щ и более (табл. 7-1, {Л. 7-11]).
Воздействие электрического поля высокой частоты на материалы.
Остаточная влага в совокупности с замороженной структурой ка пиллярно-пористого или коллоидного материала представляет поля ризационно-релаксационную систему, в которой приложенное напря-
женис электрического или магнитного поля распространяется с не которой скоростью, характеризующейся периодом релаксации.
При этом нагрев замороженных материалов основан на явлении поляризации молекул незамерзшей остаточной влаги в капиллярно пористом каркасе или раствора коллоидной системы {процент оста точной влаги может быть значительным (см. табл. 6-1 и 6-2)]. Раз личают электронную, ионную и молекулярную поляризацию. Элек тронная поляризация объясняется действием внешнего электриче ского поля в диэлектрике и полупроводнике на свободные электриче ские заряды, которые создают незначительный ток проводимости,
благодаря которому смещаются |
основные заряды: положительные — |
в направлении внешнего поля, |
электроны — в противоположном на |
правлении. Время установления электронной поляризации (время релаксации) составляет ІО-16—ІО-14 сек.
В кристаллах с ионной связью наблюдается поляризация ионно го смещения. Под действием внешнего поля происходит колебатель ное смещение ионов и приобретение кристаллами дипольного мо
мента. |
Время релаксации процесса |
ионной поляризации ІО-14— |
10~12 |
сек. |
|
|
|
|
|
|
Молекулярная поляризация определяется апериодической ориен |
тацией молекул, |
обладающих |
постоянным |
дипольным моментом, |
в электрическом |
поле. Время |
релаксации |
этого |
процесса |
ІО-7— |
10~13 |
сек. |
|
является |
гетерогенной |
системой, |
пред |
Замороженный материал |
ставляющей каркас (структурное вещество), лед и незамороженную влагу. В таком теле могут иметь место все виды поляризации с уче том возможного фактора объединения отдельных дипольных момен тов в комплексы. Кроме того, в областях существования незаморо женной влаги возможны микровключения электролитов, приводящие при развитии процесса к локализованному явлению электролиза и электрической поляризации. Время релаксации электрической поля ризации ІО-4—ІО-2 сек.
Поведение материала, помещенного в электрическое поле высо кой частоты, характеризуется либо комплексной удельной проводи
мостью о, либо комплексной диэлектрической |
проницаемостью е. |
При этом |
|
"о = с/ + /о ", |
(7-2) |
где а' — действительная часть комплексной удельной проводимости (активная составляющая); а" — мнимая часть (реактивная состав ляющая). Комплексная диэлектрическая проницаемость
|
|
|
(7-3) |
где |
е' и в" — соответственно ее действительная и мнимая |
части. |
Связь между этими величинами описывается уравнением |
|
|
|
о — j m 0 е, |
(7-4) |
где |
со — круговая частота; |
е0 — диэлектрическая постоянная, |
равная |
8,86- ІО-14 ф/см. |
комплексной диэлектрической проницае |
|
Действительную часть |
мости в' часто называют диэлектрической проницаемостью е, и для описания поведения диэлектриков в поле высокой частоты приводят ее совместно с тангенсом угла диэлектрических потерь
Диэлектрическая проницаемость e' и tg б составляют основные электрофизические характеристики влажных материалов. На рис. 7-2 приведены характерные кривые изменения электрофизических ха рактеристик капиллярно-пористых тел от влагосодержания, частоты и температуры.
Многочисленные экспериментальные данные показывают, что подавляющее большинство твердых тел обладает небольшими поте рями, эти материалы обычно являются неполярными, их свойстза мало изменяются с частотой приложенного поля и близки к ста тическим значениям. Для таких материалов, как полиэтилен, полисти рол, керамика, стекло и т. д., 8'=2ч-6; tg6 = 10_ 3 10—4 [Л. 7-9].
а) б ) в) г)
Рис. 7-2. Характерные кривые изменения tgÖ для капиллярно-пори
стых |
коллоидных |
тел. |
|
|
|
|
|
а — t, |
и, £=*const; |
б — /, и, |
Е —const; |
в — f, t, £=»const; |
г — f, t, |
«=const |
(w — влагосодержание); |
/ — идеальные |
диэлектрики; |
2 — материал |
с весьма |
малой |
проводимостью; |
3 — с |
малой проводимостью; |
4 — с |
большой |
проводи |
мостью. |
|
|
|
|
|
|
|
Материалы, содержащие атомы более чем одного вида, обла дают очень сильной поляризацией. Для таких материалов, как кварц, хлористый натрий, алмаз и т. д., являющихся ионными кристаллами, в которых узлы решетки заняты противоположно заряженными иона
ми, «'=4,54-9,5; tg 6 = 10—4-ч-2 • ІО-4 [Л. |
7-16]. Для них характери |
стические частоты колебаний атомов |
находятся в инфракрасной |
области, смещения в области сантиметровых волн следуют практи чески за высокочастотным полем без заметного отставания по фазе, и, следовательно, потери остаются небольшими.
Электрофизические свойства воды и льда. Вода является типич ным представителем полярных жидкостей, которые в электрическом
|
|
|
|
|
|
поле имеют тенденцию к ориентации в направлении поля. |
|
Вода |
в жидкой фазе имеет характеристики с резко выраженным |
временем |
релаксации, однако по сравнению со |
льдом (см. § |
2-1) |
оно сдвинуто в область более |
высоких |
частот |
(рис. 7-3) [Л. |
7-8]. |
В широком диапазоне частот от |
0,1 до |
1 кгц диэлектрическая |
про- |
