Самые популярные статьи







Кондуктивный подвод теплоты

Исследуя процесс сублимационной сушки говяжьего фарша при теплоподводе через замороженный слой Э.И. Каухчешвили отметил, что перемещение фронта сублимации сопровождается переходом от поверхностной формы процесса к объемной.

Японские ученые провели анализ устойчивости поверхностной и объемной форм сублимации, рассмотрев теоретический случай сушки бесконечной пластины с конечной толщиной h при одностороннем кондуктивном подводе теплоты от дна противня qλн к поверхностному фронту сублимации через замороженную зону материала (рис. 1а, поз. 1, 2). Согласно их модели поток пара j выходит  через свободную поверхность образца, к которой энергия не подводится. В процессе сушки происходит плоскопараллельное углубление фронта z1 сублимации в толщу продукта. Одновременно на поверхности сублимации происходит образование отверстий средней глубиной z0, которое обусловлено неоднородностью структуры материала. Таким образом, в объекте сушки теоретически существуют совместно обе формы сублимации: объемная, имеющая ширину зоны z1-z0 и характеризуемая движением ее нижней поверхности z0, и поверхностная, характеризуемая движением плоскости z1. Критерием устойчивости поверхностной формы принято считать отношение скоростей движения координат z1 и z0. Если преобладает скорость углубления фронта z1, то глубина отверстий z0-z1 в процессе сушки стремится к нулю, и поверхностная форма устойчива. Если большей окажется скорость движения поверхности z0, то глубина отверстий z0-z1 возрастает, а устойчивой будет объемная форма.

Анализ уравнений, полученных японскими учеными, показал, что поверхностная форма устойчива при низкой паропроницаемости зоны материала. Большое сопротивление выходу пара наружу приводит к повышению давления у дна отверстий z0 и к соответствующему росту температуры сублимации на дне этих отверстий. При этом температурный напор между дном отверстий z0 и греющей подложкой (дно противня) становится меньше температурного напора между этой подложкой и поверхностью z1 кондуктивный подвод теплоты к плоскости z0 становится меньше, чем к плоскости z1 скорость сушки у дна отверстий убывает, а размер отверстий z0-z1 определяющий зону сублимации, стремится к нулю.

Кондуктивный подвод теплоты
 
Рис. 1. Модель развития и движения границ фазового перехода при сублимационной сушке жидких предварительно замороженных продуктов животного происхождения:
а - кондуктивный энергоподвод через замороженную зону материала;
б - радиационно-кондуктивный энергоподвод.
 

Наоборот, поверхностная форма неустойчива при высокой паропроницаемости обезвоженной зоны, так как в отверстиях не наблюдается увеличения давления и соответствующего повышения температуры сублимации, на обеих поверхностях зоны сублимации z0 и z1 температура сублимации одинакова, но расстояние от них до греющей подложки различно. Следовательно, при равном температурном напоре из-за различия термических сопротивлений поток теплоты к плоскости z0 больше, чем к z1. Скорость движения плоскости z1 будет выше, чем z1 поэтому глубина отверстий z0-z1 возрастает по мере сушки. В этом случае поверхностная форма становится неустойчивой, так как объемная форма фазового перехода не имеет тенденции к вырождению. Поверхность z0 достигает греющей подложки противня (см. рис. 1а, поз. 2, 3), после чего, по мнению японских ученых, начинается сублимация влаги уже из областей, расположенных между отверстиями. Предполагается, что для материалов с коэффициентом паропроницаемости выше 8·10-4 кг/(м·ч·°С) характерна именно объемная форма сублимации, при паропроницаемости ниже этого уровня — поверхностная форма. Паропроницаемость большинства пищевых продуктов находится значительно выше указанной границы.

По данным Ц.Д. Цветкова, паропроницаемость говядины влагосодержанием 0,85—1,0 кг/кг (по абсолютно сухому остатку) при давлении в камере 66,6…266,6 Па (0,5…2,0 мм рт. ст.) имеет значение λт= (0,72…5,4) 10-2 кг/(м·ч·°С), картофеля и фруктового пюре λт= (7,2…7,9) 10-3 кг/(м·ч·°С). Таким образом, при кондуктивном подводе энергии через замороженный слой сублимационная сушка пищевых продуктов обычно имеет объемную форму.

Несмотря на элегантность японской модели, она в основном интересна в теоретическом плане, поскольку не учитывает краевых эффектов, почти всегда присутствующих при вакуум-сублимационной сушке продуктов питания.

Проведенные Б.П. Камовниковым и Э.Ф. Яушевой исследования показали, что для реальных условий сублимационной сушки модель процесса японских ученых нуждается в корректировке. Если толщина замороженного сырья h≤20…30 мм, а толщина стенки противня δ=2…3 мм (см. рис. 1а), то необходим учет краевых зон zкв материала, непосредственно примыкающих к вертикальным стенкам противня. Отверстия в материале, расположенном в краевой зоне, получают дополнительную энергию от стенок противня, поэтому скорость роста размера zкв-z1 выше, чем z1-z0 (см. рис. 1а, поз. 1, 2). Когда отверстия в краевой зоне достигают дна противня (zкв=h), в придонной области материала возникает второй фронт сублимации z2, который начинает движение навстречу первому фронту z1 (см. рис. 1а, поз. 3). В момент возникновения z2 уменьшается или даже исчезает градиент температуры в замороженной зоне, так как весь тепловой поток qпн от дна противня расходуется на фазовый переход в зоне z2. Вследствие этого кондуктивный поток qλн через замороженный слой становится равным нулю, а движение поверхностей z0 и z1 вниз прекращается. В этот период сушки (см. рис. 1а, поз. 3) скорость обезвоживания очень мала, так как кондуктивный поток теплоты qλн к фронту z2 передается через сухой слой, теплопроводность которого почти на два порядка ниже, чем у замороженного слоя. «Краевой эффект» — явление нежелательное, так как он значительно увеличивает длительность сушки (до 40% общего времени, а иногда и более). Влияние краевого эффекта еще более возрастает в условиях кондуктивно-радиационного энергоподвода (рис. 1б), так как стенки противня в этом случае нагреваются уже с двух сторон.

Для борьбы с краевым эффектом предложен простой и эффективный способ. Его суть состоит в том, что размеры нагревателя должны быть уменьшены настолько, чтобы скорости движения поверхностей z0 и zкв оказались равными или близкими. В этом случае момент появления второго фронта сублимации z2 смещается к концу сушки, а общая длительность процесса сушки уменьшается.

При разработке новой конструкции противней с электрическим нагревом Б.П. Камовниковым, Э.Ф. Яушевой и И. К. Горшковым обнаружено интересное явление, сопутствующее подводу теплоты через замороженную зону материала: с момента включения энергоподвода qпн (см. рис. 1а) и до появления второго фронта сублимации температурный напор в замороженной зоне практически остается неизменным при постоянной плотности теплового потока, хотя толщина замороженной зоны постепенно уменьшается. Это объяснено ими наличием в месте контакта материала с дном противня прослойки, термическое сопротивление которой значительно больше, чем у всей замороженной зоны. Выдвинутая гипотеза подтверждена позднее опытами и расчетами В.В. Васильева, которым показано, что при сублимационной сушке жидкостей, замороженных непосредственно в стеклянных флаконах, возникают зазоры между продуктом и стенками сосудов. Термическое сопротивление этих зазоров (в зависимости от условий сушки) составляет 15…100°С·м2/Вт, что эквивалентно термическому сопротивлению слоя льда толщиной 20…150 мм. Появление зазора объясняется касательными термическими напряжениями сдвига, превышающими силу адгезии замороженного материала с сосудом.

Скорее всего, большие термические напряжения – не единственная причина возникновения зазора при замораживании жидкости на противне, ибо в этом случае в придонной области возникают наполненные воздухом полости, вытянутые вдоль направления движения фронта кристаллизации (см. рис. 1). При подводе теплоты к дну противня в этих полостях появляется температурный градиент, и они изменяют форму в результате протекания в каждой полости процессов сублимации и десублимации. Это и обусловливает появление наполненного паром зазора между материалом и дном противня в контактной зоне. Эффекты изменения формы и перемещение воздушных включений при атмосферной сублимации снега и льда хорошо известны в гляциологии под названием макроскопической диффузии.



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.



Нашли ошибку? Выделите её и нажмите Ctrl+Enter. Будем благодарны за помощь.