1.2. Тепло- и массоперенос при атмосферной сублимационной сушке
Рассмотрим простейшую физическую модель объекта сушки: пористый твердый каркас, не взаимодействующий с содержащейся в его порах влагой.
Для такой модели будет справедлива диаграмма состояний воды. Эта диаграмма (в координатах температуры и давления) содержит две характерные точки: К и Т. Точка К, называемая критической, является верхней предельной точкой, где возможны одновременно два фазовых состояния влаги: в виде жидкости и виде пара. Точка Т называется тройной, поскольку влага при параметрах этой точки может находиться одновременно сразу в трёх фазовых состояниях: в твёрдом, в жидком, и парообразном.
Фазовый переход водного льда в пар, температура и давление которого находятся ниже тройной точки, называется сублимацией.
Рис. 1.1. Диаграммы фазового состояния воды [3]
Линия фазового перехода ТО разделяет диаграмму на 2 области: область твёрдого тела (лёд) и область пара. Параметры состояния простейшей модели объекта сушки соответствуют точке Е – точке области твёрдого тела. Вся влага в объекте сушки будет находиться в виде льда. При понижении давления в изотермических условиях (прямая ЕF) в точке F (произвольной точке линии ТО) начнётся сублимационная сушка в изотермических условиях.
Отличием изотермической АСС от неизотермической сушки является то, что изотермическая сушка состоит только из одного периода сублимации влаги, а неизотермическая АСС - из трех качественно различных этапов: сублимации, холодной сушки и тепловой сушки. Также существуют различные промежуточные варианты, например сублимация на двух различных температурных уровнях или неизотермическая сублимационная сушка без стадии тепловой сушки.
В общей теории сушки принято изучать отдельно процессы внутреннего и внешнего массопереноса [2, 40]. Этот же приём использован и при исследовании процессов сублимационной сушки [25- 27]. В действительности же процессы внутреннего и внешнего переноса взаимосвязаны и их разделение условно.
1.2.1. Внутренний тепло- и массоперенос
К группе факторов, определяющих внутренний тепломассоперенос относятся технологические свойства объекта сушки, определяющие специфику переноса теплоты и влаги внутри этого объекта. По А. С. Гинзбургу [2], под технологическими (сушильными) свойствами материалов, в том числе и пищевых продуктов, понимаются самые различные свойства (биологические, физикохимические, структурно-механические, теплофизические, электрофизические и др.), специфические для каждого материала в определённых условиях (режимах) его обработки. Механизм внутреннего переноса усложняется тем, что технологические свойства объекта изменяются в процессе сушки. Эти изменения существенно влияют на протекание процессов переноса и на качество готового продукта.
Также к этой группе факторов относятся и движущие силы (потенциалы внутреннего переноса), определяющие потоки теплоты и массы внутри продукта. Эти потенциалы, а также внутренние сопротивления тепловым и массовым потокам зависят как от технологических свойств продукта, так и от режимов его обработки.
Для модели сублимации влаги в крупнодисперсной системе (средний радиус пор более 0,1 мкм) характерно то, что молекулы воды переходят в паровую фазу с различной вероятностью, так как они расположены на различной глубине относительно поверхности пористого тела. Только небольшая часть молекул расположена на поверхности твёрдого каркаса и может “напрямую” перейти из твёрдого состояния в газообразное. Другим же молекулам предшествуют неоднократные перемещения из мест с большей энергией связи (например, из микровпадин поверхности) в места с меньшей энергией связи (в микроострия). Кроме того, процесс сублимации происходит не равномерно со всей поверхности объекта, а с отдельных наиболее энергетически неустойчивых участков, обусловленных дефектами кристаллической структуры.
Более сложным представляется процесс АСС мелкодисперсных материалов (средний радиус пор менее 0,1 мкм), характерных наличием невымороженной квазижидкой влаги при отрицательных температурах [3].
Cледует отметить, что отличительной особенностью для мелкодисперсных материалов является зональная форма сублимации, когда удаление влаги происходит из некоторого объёма (зоны), размер которой зависит от свойств материала и режима сушки. В то время как для крупнодисперсных материалов характерна фронтальная форма сублимации с удалением влаги с поверхности (фронта).
Таким образом, наличие невымороженной влаги определяет принципиальное отличие замороженных мелкодисперсных систем от крупнодисперсных, её миграция - специфику внутреннего переноса.