книги из ГПНТБ / Лебедев Д.П. Тепло- и массообмен в процессах сублимации в вакууме

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

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.

вания спектральных характеристик источника излучения со спек- •

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

дует использовать диапазон длин волн, соответствующий

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

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

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,

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).

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-

‘58

мышленном холодильнике. Видно, что кривые скорости сушки существенно зависят от температуры поверхности контакта.

Заглубление' зоны сублимации (независимо от вида энергоподвода) приводит к повышению температуры об­ разующегося при этом высушенного слоя. Для обеспече­ ния нормального режима сублимационной сушки и пре­ дохранения от подгорания

вых сушки и полей температур в материале дает основа­ ние разделить процесс сублимационной сушки на три периода (рис. 6-12). Первый период сушки (период по­ стоянной скорости) определяется сублимацией влаги (льда), некоторым заглублением зоны сублимации и формированием градиента температур (градиента давле­ ний в материале), определяющего перенос пара через еще достаточно тонкий высушенный слой.

Вработе [Л. 6-4] указывается, что период постоянной скорости сушки, например, для замороженного мяса со­ ответствует углублению поверхности сублимации пример­ но на '2,5—3,5 мм, причем эта величина не зависит от толщины и других параметров образца.

Впервом периоде сушки скорость сублимации льда из данного материала определяется количеством посту­ пающего и поглощенного тепла. В определенный момент времени, несмотря на возрастающий градиент темпера­ тур (градиент давлений) в материале, вследствие заглуб­ ления зеркала испарения ухудшается подвод тепла в зо­ ну сублимации и миграция паров через высушенный

в пористом материале и влияния толщины высушенного слоя (оболочки) на интенсивность сушки различных био­ логических продуктов. При этом указывается, что со­

сушки. Изучение поля влажности мяса при суб­

зало, что влажность замороженной зоны продукта при­ мерно равна начальной влажности в течение всего перио­ да сублимации, вплоть до полного исчезновения заморо­ женной фазы в толще образца. Влажность зоны мигра­ ции пара, расположенной над льдом, в том числе и по­ верхностного слоя образца, не равна конечной влажно­

260