Фронт и зона сублимации

Согласно существующим термодинамическим представлениям сублимация влаги есть фазовый переход первого рода, который сопровождается скачкообразным изменением функции состояния с поглощением теплоты фазового перехода.

В работах, посвященных исследованию сублимации, часто встречаются такие термины, как слой материала и зона материала. Понятия слоя и зоны в известной мере являются абстрактными, но они удобны для изучения закономерностей распределения температуры и влажности в объекте сушки. В целях упорядочения терминологии и смыслового содержания этих понятий в дальнейшем условимся называть слоем такую область материала, температура и влажность которой принимаются постоянными в данный момент сушки. Термин «зона» будем понимать более широко: температура и влажность в зоне материала могут быть в данный момент сушки как постоянным и, так и переменными.

Фронтом сублимации будем называть поверхность перехода лед—пар, разделяющую зоны замороженного и обезвоженного (или частично обезвоженного) материала. Если сублимация влаги происходит не с поверхности, а из некоторого объема (области), то в этом случае будем использовать термин «зона сублимации».

При энергоподводе к одной поверхности продукта в нем образуется одна зона (фронт) сублимации, которая в течение сушки может перемещаться от поверхности материала к его периферийным слоям. При двустороннем подводе энергии возможно образование двух зон (или фронтов сублимации).

При определенных условиях зона сублимации может быть устойчивой, т.е. существовать в течение всего процесса. Но в других условиях она теряет устойчивость, ее толщина уменьшается; в итоге она может выродиться во фронт сублимации. В ряде случаев возможно обратное явление: фронт сублимации теряет устойчивость и превращается в зону.

Введем также понятия «краевой эффект» и «краевая зона сублимации». В процессе сушки подвод энергии к различным зонам продукта может быть неодинаковым. В реальных условиях объекты сушки имеют конечные размеры, обычно концентрация теплоты наблюдается на краях свободных поверхностей образцов. В этих зонах обезвоживание протекает значительно интенсивнее, чем в других областях образца. Здесь же в первую очередь достигается предельно-напряженный тепловой режим. Следовательно, возможность возникновения брака продукта (перегрев, пережог) наиболее вероятна именно в таких зонах. Появление быстро развивающейся зоны сублимации в местах наибольшей концентрации теплоты в материале будем называть краевым эффектом, а эту зону — краевой зоной сублимации.

Ключевыми вопросами в теории сублимационной сушки являются вопросы существования и устойчивости поверхностной и объемной форм фазового перехода влаги и превращения одной формы в другую, а также формы развития и движения краевых сил.

Процесс сублимационного обезвоживания продуктов питания протекает обычно сравнительно медленно (часы и десятки часов). Поэтому на всех этапах развития сублимационной техники постоянными тенденциями являются его интенсификация, использование напряженных предельно допустимых режимов сушки. В этом плане перед исследователями возникают две основных задачи: выбор способа подвода энергии к объекту и выбор метода управления процессом. Таким образом, вид энергоподвода, способ управления процессом и форма фазового перехода в основном определяют картину тепло и массопереноса. При построении моделей процесса вакуум-сублимационной сушки и при его математическом описании эти факторы должны быть учтены в первую очередь.

Материал подготовлен по книге: Камовников Б. П. и др. Вакуум-сублимационная сушка пищевых продуктов (Основы теории, расчет и оптимизация) /Б. П. Камовников, Л. С. Малков, В. А. Воскобойников. — М.: Агропромиздат, 1985 — 288 с.