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

чек перегиба кривой cp = f(T) показал, что нестацио­ нарный метод монотонного теплового.режима при иссле­ довании теплоемкости в широком температурном интер­ вале дает возможность получить режимные параметры сублимационной сушки в вакууме.

Этот метод дает возможность определить также мак­ симальную температуру на поверхности сухого слоя

дж/кг-град

Рис. 2-16. Теплоемкость высушенного субли­ мацией порошка экстракта чая при различной влажности.

/ _ о у = 5%; 2 — ш= 8%; 3 — 01= 12%.

Исследование теплоемкости жидкого экстракта чая пред­ ставило возможность получить предельную температуру, соответствующую началу процесса перекристаллизации влаги в материале, ниже которой происходит процесс сублимации (около —20 °С, рис. 2-17). По этой темпе­ ратуре, приближенно принятой за температуру насыще­ ния водяного пара в вакууме, можно определить тот вакуум, который должен соответствовать процессу субли­ мационной сушки выбранного продукта. Представлен­ ные данные по определению режимных параметров бы­ ли подтверждены непосредственно в процессе сублима­ ционной сушки экстракта чая в вакууме.

46

Удельная теплоемкость некоторых пищепродуктой, полученная с помощью адиабатического калориметра, приведена в табл. 2-7.

Теплопроводность. Тепло, поглощенное в процессе сушки капиллярно-пористого тела, затрачивается глаз­ ным образом на сублимацию льда. Расходы тепла на испарение или десорбцию экстракционной и адсорбиро­ ванной воды в свободном от льда слое и на повышение температуры сухого слоя незначительны, и в тепловых расчетах их обычно не

определении теплофизиче­ ских свойств влияние этих факторов необходимо учи­ тывать. При анализе про­ цессов сублимационной сушки капиллярно-пори­ стых «материалов», имею­ щих сравнительно низкую температуру, влиянием радиации и конвекции внутри свободных от льда капилляров пренебрегают.

Если тело, пористость• которого известна, в на­ чальной стадии сублима­ ционной сушки содержит значительное количество влаги в замороженном со­ стоянии, то приближенное значение теплопроводно­

сти может быть определено численным путем аналогично указанному для теплоемкости, т. е. путем суммирования произведений долевых составляющих теплопроводностей льда и твердого вещества. Более точные значения могут быть получены только экспериментальным путем.

Существует ряд методов измерения теплопроводности пищевых продуктов капиллярно-пористой и коллоидной структуры в процессе сублимации; некоторые из них используют нестационарную технику измерения, другие представляют собой методы установившегося режима.

времени, но дают большую точность.

47

48

Теплопроводность, измеренная в условиях сублима­ ционной сушки, как показывают опыты, не согласуется с результатами, полученными обычными стационарными методами для сухих образцов [Л. 2-55]. Поэтому, как указывается в [Л. 2-46], теплопроводность сухого мате­ риала и ее зависимость от изменяющегося давления во внутрипоровом пространстве могут являться некоторыми предельными значениями, справедливыми для конца цикла сушки.

В работах [Л. 2-48, 2-49] исследовано влияние давле­ ния на теплопроводность продуктов, сушимых сублима­ цией. В основу анализа положена эффективная тепло­ проводность Яэ твердого тела, имеющая две компоненты: одну — для твердого каркаса, а другую — для газа, за­ полняющего поры в сухом слое.

Результаты по теплопроводности газа [Л. 2-48, 2-39], заполняющего поры, могут быть адекватно коррелированы уравнением

где Яг — теплопроводность газа в пористом теле; Яго — теплопроводность свободного газа; С — константа; р — давление. При крайне низких давлениях р = О, Яг= =<Хго(р/С) ~0, при высоких давлениях С /р ^ 0 и Яг~Яго. Поскольку теплопроводность твердого тела (Я*) не ме­ няется с давлением, чистая эффективная теплопровод­ ность принимает значения: при низких давлениях, мень­ ших 0,1 мм рт. ст.,

XQ— UXs

(П — пористость); при высоких давлениях, больших 100 мм рт. ст.,

Яэ= (1—/7) Яго + 7ТЯэ; в области 0,1<р<100 мм рт. ст.

Яэ —riXs— (1—П) рХто!(р-\- С).

в области низких давлений р <0,1 мм рт. ст. и в области высоких давлений р^Ю О мм рт. ст. Аналогичная кри­ вая представлена в [Л. 2-33]. В процессе анализа экспе­ риментальных результатов авторы работы [Л. 2-39] при­ ходят к выводу о необходимости изучения влияния дав­ ления газа на теплопроводность твердых пористых тел,

заполненных газом. S-образный характер кривых зави­ симостей теплопроводности от давления можно объяс­ нить различным вкладом теплопроводности газа в об­ щую теплопроводность капиллярно-пористого тела в про­ цессе сублимации при изменении давления в камере и ориентировочно установить следующие области: 1 —

Рис. 2-18. Зависимость теплопроводности пищевых про­ дуктов от давления.

1 — говядина; 2 — персик.

область континуума (760—100 мм рт. ст.); 2 — область газовой проводимости (100—5- 10~2 мм рт. ст.)\ 3 — область кондуктивной проводимости (от 5-10~2 мм рт. ст.).

Ширина представленных областей определяется структурой каркаса капиллярно-пористого тела и может изменяться в зависимости от диаметра пор (числа Кнудсена).

В области 1 значительный вклад в эффективную теплопроводность вносит теплопроводность газа, напол­ няющего пористый каркас. Динамическое поведение га­ за, проходящего через пористое тело в этой области, -определяется как континуальным, так и вязким потоком

50

со скольжением. Резкое уменьшение теплопроводности

внутри капиллярно-пористого тела в значительной сте­ пени изменяет теплопроводность пористого каркаса.

Для всех газов, использованных в [Л. 2-39], тепло­ проводность достигает постоянного значения для дав-

Рис. 2-19. Расчетная структура пористого материала.

а — расчетная модель [Л. 2-22); б — круглая структура (куриный белок); в — ячеечная структура (картофельный крахмал); г — расчетная модель [Л. 2-58].

лений ниже 0,02 мм рт. ст. При этих давлениях газ не дает значительного вклада в теплопроводность, и, сле­ довательно, практически все тепло проводится твердой структурой образца. Рассматриваемые результаты рабо­ ты [Л. 2-39] были получены при отсутствии течения газа через поры, в то время как при реальной сублимацион­ ной сушке имеет место поток водяного пара через вы­ сушенный слой продукта в вакуум.

Для теоретического расчета в [Л. 2-22, 2-44] была предложена модель (рис. 2-19,а) пористого материала, положенная в основу вывода уравнения, описывающего зависимость теплопроводности от давления.