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

Плотность и эффективная теплопроводность десублимированного льда. В соответствии с формой образующе­ гося десублимированного льда (рис. 6-28,6) его плот­ ность (при средней температуре по толщине льда) опре­ делялась по уравнению

щая кривую, образующую поверхность вращения, по­

Рис. 6-28. Конфигурация де­ сублимированного льда и из­ менение температурного поля в плоской пластине.

302

та объемного расширения ß(T’) принималась по [Л. 2-14]. Как показывают расчеты, этот член может из­

зовый переход в процессе десублимации льда (в соответ­ ствии с кривой десублимации на рис. 6-23,а и распреде­

к моменту закрытия всех термопар льдом; гя -~ теплота десублимации; р — общее давление в модели; *с — сред­ няя за время Дт4= Т4—То температура поверхности рабо­

В табл. 6-7 представлены плотность и эффективная теп­ лопроводность десублимирующегося льда в зависимости

лась на 5%, а при давлении около 2 мм рт. ст. прибли­ жалась к плотности воды.

Постановка и приближенное решение задачи десуб­ лимации водяного пара на плоской пластине (внутрен­ няя задача).

Для третьего периода процесса десублимации, когда пленка льда устанавливается в форме устойчивого гео­ метрического фронта на охлажденной поверхности и тем­ пература ее близка к температуре стенки, Т(хо,х)~Тс.

303

Т а б л и ц а 6-7

Эффективная теплопроводность и плотность десублимированного льда

Принимаем линейный закон распределения темпера­ туры' в слое десублимированного льда

1 Использование вместо (6-64) распределения в виде

7 - = r , - [ 7 ’g( T ) - 7 ’e] ^ ,

совместно с (6-61)—(6-63) и (2-14) представляет общую формули­ ровку сопряженной задачи десублимации.

304

где

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

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

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

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

306

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,

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

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

где а' — действительная часть комплексной удельной проводимости (активная составляющая); а" — мнимая часть (реактивная состав­ ляющая). Комплексная диэлектрическая проницаемость

мости в' часто называют диэлектрической проницаемостью е, и для описания поведения диэлектриков в поле высокой частоты приводят ее совместно с тангенсом угла диэлектрических потерь

308

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

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

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

309

ницаемоеть воды остается практически постоянной, равной 80 при температуре 15 °С. С увеличением температуры иа всех частотах на­

жено тем больше, чем ниже температура воды.

При частотах, меньших 10 Мгц, потери в воде вызваны в основ­ ном явлением проводимости. С увеличением частоты выше 100 Мгц релаксационные потери начинают значительно превышать потери, обусловленные проводимостью, и максимум коэффициента релак­ сационных потерь наблюдается при частоте 1,66-104 Мгц.

к 0,1 кгц, диэлектрическая постоянная льда весьма близка к соот­ ветствующей константе жидкой воды (ев =80). Рассмотрение гра­ фика зависимости диэлектрической постоянной в' для воды и льда от температуры показывают, что состояние воды и льда при темпера­ турах, соответствующих процессам сублимации, определяется высо­ кими значениями диэлектрической постоянной.

Электрофизические свойства пищевых продуктов. Имеется срав­ нительно мало сведений по электрофизическим свойствам пищевых

310

продуктов. Некоторые данные, приведенные в табл. 7-2, показывают, что высокая пропускательная способность льда не дает оснований утверждать то же самое для пищевых продуктов.

311