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

ной) поляризации диэлектрика. Этот механизм поляризации характе­ рен для токов высокой частоты, начиная, с радиоволн сантиметрового диапазона, и для ближней к видимому свету части инфракрасной области спектра.

Известны три основных способа нагрева «диэлектриков электро­ магнитной энергией сантиметрового диапазона: нагрев бегущей вол­ ной, стоячей волной и электромагнитным лучом в свободном про­ странстве. При нагреве бегущей волной материал помещается в коаксиальный кабель или волновод. Если толщина материала больше глубины проникновения, то вся энергия поглощается материа­ лом, причем неравномерно: сторона, обращенная к источнику, на­ гревается значительно больше. Если толщина материала меньше глу­ бины проникновения, то часть энергии поглощается, часть проходит сквозь материал, и нагрев получается более равномерным.

Нагрев бегущей волной с успехом применяется для сушки тонко­ листовых материалов (бумаги, различных пленок), тканей, склеива­ ния листов фанеры, дефростации пищевых продуктов, термической обработки жидкостей, порошков и т. д.

Нагрев электромагнитным лучом в свободном пространстве, яв­ ляясь в сущности разновидностью первого способа нагрева, ограни­ чен теми случаями, когда объект не может быть помещен в волновод или объемный резонатор либо когда объект недоступен. Этот спо­ соб получил довольно широкое распространение в медицине (диа­ термия), при конструировании плазменных СВЧ-гарелок для полу­ чения высоких температур, излучателей для дробления горных по­ род, при нагреве замороженных пищевых продуктов и пр.

При нагреве в поле стоячей волны объект помещается в объ­ емный резонатор, в котором электромагнитное поле полностью экра­ нировано от внешней среды. Естественно, что при этом способе нагре­ ва в узлах выделяется значительно меньше энергии, чем в пучно­ стях, поэтому нагрев получается также неравномерным. Равномер­ ность нагрева в объемном резонаторе обычно достигается перемеще­ нием материала относительно его стенок либо применением так называмых высокочастотных мешалок, изменяющих во времени кар­ тину распределения поля. Наиболее широкое применение метод полу­ чил при конструировании СВЧ-печей для обработки пищевых про­ дуктов.

Экспериментальная установка. В работе «[Л. 7-3] наиболее под­ робно представлено исследование сублимационной сушки СВЧ-энер- гоподводом модельных капиллярно-пористых тел.

На рис. 7-4 дана схема экспериментальной установки, используе­ мой в этой работе, для исследования процесса сублимационной сушки с СВЧ-энергоподводом, смонтированной на базе магнетронной печи «Волжанка». Печь представляла собой генератор СВЧ-колебаний с магнетроном непрерывного действия мощностью 2,5 кет. Антенное устройство — вывод энергии магнетрона с коротким участком волно­ вода — обеспечивало оптимальное согласование магнетрона с резо­ натором. Имеющийся в печи блок автоматики обеспечивал защиту основных узлов в случае возникновения аварийного режима или не­ правильной эксплуатации. В объемный резонатор печи помещался стеклянный баллон, служащий сублимационной камерой. Непрерыв­ ная работа холодильного агрегата обеспечивала температуру охлаж­ дающей поверхности конденсатора —32ч— 34°С. Для получения более низкой температуры в центральную часть конденсатора поме­ щалась смесь ацетона и сухой углекислоты с температурой —70 ч-

312

М і о

313

—75 6С. Температура смеси контролировалась термометром. Такай система охлаждения конденсатора позволяет изменить температуру его поверхности в пределах —Юн— 70 °С.

Для сублимационной сушки образцов больших размеров (высо­ той до 60 мм) было изготовлено устройство для передвижения об­ разца во время опытов. Для этой цели использовался реверсивный электродвигатель РД-09, который приводил в движение подвижный столик с укрепленной на нем балочкой тензовесов. Изменение на­ правления вращения двигателя осуществлялось посредством двух конечных микровыключателей и промежуточного реле типа МКУ-48.

Для регулирования выходной мощности наилучшей оказалась схема с плавным изменением величины анодного напряжения магне­ трона. Включение в цепь питания магнетрона (перед повышающим трансформатором) трехфазного автотрансформатора обеспечило плав­ ное регулирование анодного напряжения магнетрона от нуля до но­ минального. Таким образом, оказалось возможным регулировать выходную мощность печи почти от нуля до максимальной. Нижний предел лимитировался срывом генерации магнетрона, но последний наступал при очень низких значениях напряженности поля СВЧ в резонаторе.

Интенсивность испарения "влаги из образцов определялась по убыли веса на тензометрических весах. Давление насыщенных водя­ ных паров определялось методом психрометрической точки.

Влияние на электрофизические свойства структуры материала и состояния влаги в капиллярно-пористом теле. Анализ зависимости электрофизических свойств твердых тел, льда, воды, водных раство­ ров электролитов, в пищевых продукта« я т. п. от температуры, агре­ гатного состояния вещества, концентрации растворимых веществ и т. д. показывает, что в процессе сублимационной сушки должны наблюдаться очень сильные изменения е' и е" и что эти величины являются определяющими в организации режима подвода энергии

кматериалу.

Вработе [Л. 7-3] на моделях капиллярно-пористых тел с изве­ стной структурой экспериментально и аналитически исследовано влияние агрегатного состояния влаги на изменение электрофизиче­

к монопористому телу с радиусом пор около 4 нм, силикагель КСК— широкопористое тело с менее выраженным .максимумом раюпределе-

О

ни,я пор по размерам в области около 7 нм (70 А). Представленные «а рис. 7-5,а и б зависимости диэлектрической проницаемости от температуры и влагосодержаняя показывают, что при достаточно низких температурах (—50 и— 20 °С) е' практически остается неиз­ менной.

Характерной особенностью поведения диэлектрической проницае­ мости в области гигроскопического влагосодержания является отсут­

температур —5-ь0°С наблюдается постоянство г', в то время как для КСК оно отсутствует.

Приведенные зависимости диэлектрической проницаемости увлаж­ ненных силикагелей обоих типов от температуры показывают, что

314

в области —50ч— 20 °С е'как сильно увлажненных, так и содержащих гигроскопическую влагу образцов составляет небольшую величину и медленно увеличивается с повышением температуры. И действи­ тельно, в образце, содержащем только гигроскопическую влагу, последняя представляет собой адсорбционно связанную влагу ка­ пиллярной конденсации микрокапилляров, которые сильно связаны с твердым скелетом, подвижность молекул мала, время релаксации значительно больше, чем у свободных молекул, и, несмотря на то, что значительная часть влаги находится в незамороженном состоя­ нии, диэлектрическая проницаемость материала довольно низка.

Рис. 7-5. Зависимость диэлектрической проницаемости е' и фактора потерь е" для силикагелей от температуры и влагосодержания.

Для сильно увлажненных образцов в этом диапазоне температур прибавляется еще влага макрокапнлляров, стыковая и влага смачи­ вания, которые находятся либо в жидком (часть влаги стыковых состояний), либо в твердом состоянии и также имеют низкую ди­ электрическую проницаемость. Увеличение температуры в этом диапазоне приводит к небольшому уменьшению времени релаксации молекул воды и твердого скелета, что приводит к некоторому увели­

чению е'.

Поведение диэлектрической проницаемости увлажненных капил­ лярно-пористых тел при температурах вблизи и выше 0 °С опреде­ ляется, по мнению автора ’[Л. 7-3], различием температур плавления льда в микро- и макрокапиллярах в зависимости от их диаметра

315

В образце силикагеля КСК-1, содержащем гигроскопическую влагу (й<0,75 кг/кг), последняя почти полностью представляет собой влагу капиллярной конденсации в капиллярах с радиусом пор около 4 нм. При температуре —16-=— 12 °С эта влага переходит в жидкое состояние, что вызывает некоторое увеличение диэлектрической проницаемости. При температуре —7~— 5 °С плавление льда капил­ лярно-сконденсированной влаги заканчивается и е' достигает макси­ мального значения, которое остается постоянным вплоть до темпера­ туры + 15°С. Отсутствие изменения диэлектрической проницаемости при переходе через О °С — следствие того, что в образце практически не имеется свободной воды. Увеличение е' обусловлено тем, что пе­ реход влаги микрокапилляров в жидкое состояние приводит к рез­ кому уменьшению времен релаксации дипольных молекул воды до значений, близких к резонансным для данной частоты поля, что вызывает почти полное развитие процесса установления поляризации за время полупериода приложенного напряжения.

Образцы силикагеля КСК-1 с влагосодержанием 1,0—1,50 кг[кг характеризуются содержанием большого количества влаги макро­ капилляров, стыковых состояний и влаги смачивания с температурой плавления 0 °С при нормальном барометрическом давлении. В ин­ тервале температур —7-=-0°С, когда вся влага микрокапилляров перешла в жидкое состояние, а свободная находится в образце в ви­ де льда, наблюдается постоянство диэлектрической проницаемости. Резкий скачок s' при переходе через 0 °С обусловлен плавлением свободной влаги, и чем ее больше, тем более ярко выражен этот скачок.

Таким образом, можно (предположить, что для увлажненных ка­ пиллярно-пористых тел диапазон резкого увеличения диэлектрической проницаемости е' с увеличением температуры в отрицательной обла­ сти зависит от адсорбционной способности и капиллярной структуры твердого каркаса. Для мелкопористых материалов с большой внут­ ренней поверхностью эта область сдвинута влево по шкале темпера­ тур, а для крупнопористых — вправо, при этом для материалов, по своей структуре приближающихся к монопористым, следует ожи­ дать скачкообразного изменения е', а для широкопористых последняя должна плавно нарастать в зависимости от ширины дифференциаль­ ной кривой распределения пор по их радиусам.

На рис. 7-5,в и г показано изменение фактора потерь е" для силикагеля КСК-1 в исследуемом диапазоне температур и влагосбдержаний, который принципиально не отличается и для силика­ геля КСК.

Фактор потерь влажного капиллярно-пористого материала так­ же определяется его внутренней структурой. При этом в области гигроскопического влагосодержания материала каждому максимуму на дифференциальной кривой распределения пор по радиусам соот­ ветствует максимум диэлектрических потерь. Для более высоких влагосодержаний характерен еще один максимум г", обусловленный плавлением льда свободной воды при О°С.

Механизм сушки и теплопереноса капиллярно-пористых тел в по­ ле СВЧ. Анализ экспериментальных данных по сублимационной суш­ ке пищевых продуктов с СВЧ-энергоподводом и измерения диэлек-

316

трической проницаемости г' и фактора потерь е" увлажненных сили­ кагелей позволили [Л. 7-3] высказать некоторые соображения о ме­ ханизме генерирования тепла, а также о тепло- и массопереносе при сушке сублимацией в поле токов высокой частоты.

и е" остаются небольшими при всех влагосодержаниях, вплоть до максимальной водоудерживающей способности (влажности намока­ ния). В то же время при влагосодержаниях, соответствующих гигроікопичсской влажности, значения е' и г" также остаются небольши­ ми и при более высоких температурах.

Таким образом, если материал с замороженной центральной и подсохшей периферийной частями находится в однородном электри­ ческом поле определенной напряженности, удельные мощности источ­ ников тепла в этих частях продукта незначительно отличаются друг от друга. В этом случае увеличение напряженности поля с целью интенсификации процесса сублимации приводит одновременно к уве­ личению мощности удельных источников тепла и недопустимому пе­ регреву подсохшей части материала. Сохранение напряженности на уровне, обеспечивающем нормальную температуру высохших слоев, приводит к замедлению процесса сублимации центральных слоев и увеличению общей продолжительности никла сушки.

Повышение температуры влажного замороженного материала до t ——25ч— 10 °С в зависимости от структуры, физико-химических свойств и общего влагосодержания приводит к резкому увеличению диэлектрической проницаемости и фактора потерь. Учитывая, что при соответствующем увеличении температуры слоев, влажность которых не превышает максимально гигроскопическую, увеличение &' и г" незначительно, нетрудно заметить, что изменение температуры субли­ мации дает возможность изменять электрофизические свойства всех слоев сушимого материала в нужном направлении: при увеличении температуры сублимации е' и г" замороженного материала резко увеличиваются, в то время как соответствующие величины для на­ ружных слоев изменяются незначительно.

На рис. 7-6 приведены кривые сушки увлажненного силикагеля

более 5 ч, при 7=240 в—2 ч, что соответствовало значениям интен­ сивности сушки И • ІО-5 и 40 • ІО-5 кг/(кг • сек). С увеличением напряженности изменялись не только интенсивность сушки и общая ее продолжительность, но и характер протекания процесса. Из рис. 7-6 видно, что с увеличением напряженности период постоянной скорости сушки сокращается, а влагосодержание материала, соот­

В настоящее время считается установленным, что при интен­ сивных методах сушки и в первую очередь при сушке в электромаг­ нитном поле основной движущей силой переноса пара внутри тела является градиент общего давления. В условиях сушки сублимацией СВЧ рост градиента общего давления связан с увеличением темпера­ туры сублимации внутренних слоев образца при сохранении темпе­ ратуры наружных слоев на более низком уровне.

Как показывает анализ зависимостей электрофизических свойств влажных материалов от температуры, принципиальная разница в ис­

путем изменения их температуры, в то время как при радиационном энергоподводе этого сделать, как известно, не удается.

Требования технологии сушки пищевых продуктов методом суб­ лимации предусматривают не только недопущение перегрева высу­ шенных слоев, но и определенную температуру областей сублима­ ции, выше которой в материалах (особенно неоднородных) могут происходить необратимые взрывные процессы, разрушающие капил­ лярно-пористый каркас, вызывающие ионизацию газов в сублима­ торе, денатурацию белков, разрушение витаминов и т. д. Поэтому увеличение потенциала переноса вещества, за счет увеличения гра­ диента общего давления для каждого продукта должно иметь вполне определенный предел даже при соблюдении условий, обеспечиваю­ щих нормальную температуру наружных слоев. Применение тра­ диционных методов энергоподвода обеспечивает достижение этого предела, по-видимому, для весьма ограниченного круга материалов.

На рис. 7-7 представлено семейство кривых интенсивности сушки силикагеля КСК-1 с начальным влагосодержанием 1,5 кг/кг при раз­ личных напряженностях поля 7 (от 180 до 240 в) и различных остаточных давлениях водяных паров рк <в вакуумной камере.

Полученные результаты хорошо согласуются с данными по из­ менению диэлектрической проницаемости и фактора потерь увлаж­ ненного силикагеля при повышении температуры.

При увеличении напряженности поля зависимость интенсивности

объясняется, по-видимому, наличием горизонтального участка на

318

нения рк еще наблюдается некоторое увеличение интенсивности суш­ ки, в то время как с увеличением напряженности оно становится менее ощутимым. Это свидетельствует о том, что с увеличением на­ пряженности поля температура внутренних слоев материала повы­ шается, приближаясь к пределу t = —8т— 12 °С, соответствующему началу горизонтального участка на кривой e'=f(t).

Существенная зависимость характера протекания процесса суб­ лимационной сушки материалов с СВЧ-энергоподводом от их элек­

ми материала.

Влагоперенос в электромагнитном поле СВЧ. При сушке в поле СВЧ на перенос влаги в значительной степени влияют термодина­ мические движущие силы, в качестве основных из которых должны рассматриваться результирующие векторы напряженности электри­ ческого поля.

Для релаксационно-поляризационных систем (замороженная влага, остаточная влага, капиллярно-пористый каркас) уравнения баланса энтропии рассмотрены в [Л. 2-11].

Однако в настоящее время еще нет данных о значениях коэф­ фициента электрической диффузии аэт и коэффициентах магнитодиффузии амт, входящих в уравнения тепломассопереноса, описы­ вающих процессы сублимационной сушки в электромагнитном поле СВЧ.

7-2. ТЕПЛОМАССООБМЕН ПРИ ВИБРАЦИИ СУБЛИМИРУЮ ЩЕГОСЯ ТЕЛА В УСЛОВИЯХ ВАКУУМА

Весьма перспективным в технико-экономическом отношении для ин­ тенсификации процесса тепло- и массообмена при сублимации являет­ ся применение вибрационных устройств. Особенно важно то, что интенсификация вибрацией процесса тепломассообмена при сублима­

319

ции в вакууме происходит без какого-либо дополнительного повы-, шения температуры образца. Анализ полей температур и скоростей в газовых потоках в процессе сублимации дает основание сделать вывод, что физические основы интенсификации этого процесса допол­ нительной вибрацией образца основаны на турбулизации свобод­ ной струи (см. § 6-4). Процесс вибрации приводит к локальному изменению парциального давления водяного пара над зеркалом по­ верхности сублимации и увеличивает разность давлений:

лимации; ря — давление в ядре факела испарения.

Разность давлений Ар и является движущей силой, определяю­ щей дополнительное воздействие на процесс'сублимации, вызванное вибрацией. В настоящее время отсутствуют исследования, дающие количественные результаты, вскрывающие физику и механизм про­ цесса воздействия вибрации на интенсивность тепломассообмена при сублимации тел в вакууме.

В этом разделе рассмотрены некоторые исследования по воз­ действию вибрации на интенсивность сублимации льда и нафталина при радиационном подводе тепла в вакууме.

Влияние вибрации на рост кристаллов на сублимирующейся по­ верхности льда (терморадиационный подвод тепла). Автором изуча­ лось влияние вибрации поликристалла льда на процесс роста кристал­ лов на поверхности сублимирующегося слоя в вакууме. Для ис­ следования использовалась схема с электродинамическими вибрато­ рами, применяемая в лаборатории физико-химических исследований Института физической химии АН СССР. Схема состояла из электро­

320