Самые популярные статьи







    Второй период сушки при радиационном энергоподводе

    Данный период называют периодом убывающего энергоподвода alt. Он характеризуется образованием на поверхности объекта обезвоженной зоны и углублением границы фазового перехода в толщу материала. Для того чтобы поддержать alt  на уровне alt  необходимо уменьшать  alt, так как непрерывно возрастает термическое сопротивление обезвоженной зоны материала. Особого внимания заслуживает начало второго периода  alt, когда происходит качественное изменение характера поглощения внешней энергии. На этом интервале времени наблюдается наибольшая скорость снижения  alt, что, объясняется в основном резким изменением спектральных характеристик объекта сушки. Проникновение лучистой энергии в толщу продуктов питания существенно увеличивается с уменьшением длины волны излучения. Для исследованных продуктов питания (мясо, творог, картофель, морковь и пр.) известно, что значительная доля энергии излучения, для которого максимум спектральной плотности потока лежит вблизи длины волны alt  мкм (температура излучателя  alt), проникает на глубину 4—6 мм и более, тогда как глубина проникновения лучистой энергии вблизи alt  мкм составляет 0,8—1,5 мм, а при температуре alt – всего несколько микрометров. К примеру, при высокотемпературном радиационном энергоподводе от «светлых» излучателей в период 10…20 мин после момента alt  интенсивность энергоподвода alt  снижается более чем на 40…60%, а температура излучения убывает до 300°С и ниже. На поглощательную способность материала влияет количество содержащейся в нем влаги, которое в процессе сушки на интервале alt  зависит прежде всего от температуры. Когда поверхностный слой alt вступает в температурную область, близкую к  alt, то в этот момент резко снижается способность материала к объемному поглощению энергии.

    В современных конструкциях сублимационных систем энергоподвода регулирование мощности источников имеет следствием изменение их температуры излучения.

    Во избежание перегрева поверхностного слоя материала необходимо, начиная со второго периода сушки, снижать интенсивность энергоподвода  alt, тем самым уменьшая температуру излучателей. Из-за перехода генераторов в длинноволновый режим излучения еще более заметно уменьшается глубина проникновения энергии в толщу продукта. Поэтому на интервале времени, близком к alt  объёмное поглощение внешней энергии слоем alt  переходит в поверхностное. Следовательно, границу разделяющую первый и второй период сушки при радиационном энергоподводе следует считать «особой точкой» процесса и на этом интервале времени особенно важно знать динамические характеристики объекта сушки по каналу  alt, чтобы правильно выбрать настройки автоматического регулятора, управляющего процессом.

    Второй период сушки при радиационном энергоподводе  

    Рис. 1. Модель процесса сублимационной сушки термолабильного материала при управлении по экстремальным температурам:
    а - схема расположения температурных зон в модели объекта сушки - бесконечной пластине толщиной 2h;

    б - график энергоподвода и термограммы сушки при выбранной модели

     

    Проведенное с помощью миниатюрных термопар исследование процесса сублимационной сушки говядины в кусках при двустороннем энергоподводе позволило разработать модель послойного обезвоживания объекта (рис. 1). Установлено, что температурный профиль в обезвоженной зоне (по координате х, см. рис. 1а) близок к линейному в течение второго периода, а перепад температур в замороженной зоне практически отсутствует. Граница сублимации углубляется в толщу материала с убывающей скоростью, что подтверждает представление об увеличивающемся термическом сопротивлении обезвоженной зоны. Сделанные выводы подтверждены и уточнены исследованиями, в ходе которых изучалось совместно движение полей температуры и влажности во время сушки. Экспериментально определены отдельно для каждого слоя материала зависимости влагосодержания и температуры от времени (рис. 2б, в).

    Анализ полученных данных позволил графическим путем определить зависимость ширины зоны сублимации от времени сушки  alt, длительность прохождения этой зоны через каждый слой объекта  alt, а также критическое влагосодержание материала  alt.

      Второй период сушки при радиационном энергоподводе
      Рис. 2. График сушки при лучистом энергоподводе:
    а - схема размещения датчиков температуры;
    б, в - кривые сушки, термограммы

    Очевидно, что сублимация влаги из любого j-го слоя начинается в момент alt (см. рис. 2б). Процесс сублимации влаги из j-го слоя заканчивается в момент alt (см. рис. 2б), когда фиксируется повышение температуры слоя alt от её исходного значения  alt. Согласно приведенному выше определению в момент alt  влагосодержание слоя равно критическому  alt. Поскольку сублимация влаги в слое начинается в момент alt, а заканчивается в момент alt, то время прохождения зоны сублимации через этот слой составляет alt. За период alt  влагосодержание слоя изменяется от начального alt  до критического  alt. От момента alt  и до конца сушки alt  из слоя испаряется не вымороженная при температуре сублимации alt  влага. За период alt  влагосодержание слоя изменяется от критического alt  до конечного alt. На рис. 2б проведенные из точек alt  вертикальные прямые (отмечены стрелками) пересекаются с кривыми alt  в точках alt. Эти точки расположены в узкой области критического влагосодержания (0,4…0,5 кг/кг). К примеру, при alt  расчётное значение критического влагосодержания говядины  alt кг/кг находится вблизи этой области.

    Таблица 1  
    Второй период сушки при радиационном энергоподводе  

    Известные графические способы определения границы свободной и связанной влаги alt, основанные на нахождении точек перегиба кривых сушки и кривых скорости сушки, не могут обеспечить достаточной точности, особенно при плавном изменении этих кривых. Предлагаемый способ должен отличаться большей точностью, так как он, как и метод М. Ф. Казанского, основан на совмещении термограмм и кривых сушки. Полученные изложенным выше способом данные (см. рис. 2 б, в) приведены в табл. 1.

    По данным табл. 1 на рис. 3 построены графики движения границ начала alt  и окончания alt  процесса сублимации в материале.

    В произвольной точке alt  периода alt  восстановим перпендикуляр MP к оси абсцисс (см. рис. 3). Отрезок alt этого перпендикуляра, расположенный между alt  и alt, определяет ширину зоны сублимации в данный момент сушки  alt. Отрезок   между alt  и осью времени alt  равен ширине обезвоженной (условно сухой) зоны материала. Отрезок alt, отсекаемый alt  и прямой alt  (координата центрального слоя), равен ширине замороженной зоны. Таким образом, на рис. 3 представлено движение всех трех характерных зон материала в процессе сушки.

    Проанализируем полученные результаты. Из рис. 3 видно, что ширина зоны сублимации монотонно убывает в течение второго периода сушки alt:

    Таблица 2
    alt, мин
    0 30 40 60 90 120 150 180 185
    alt, мм
    1,3 1,2 1,1 1,1 1,0 0,9 0,8 0,2 0,0


    Следовательно, объемная форма фазового перехода во втором периоде является неустойчивой, так как имеет тенденцию перехода к поверхностной форме. Уменьшение alt в периоде alt  объясняется ростом доли кондуктивной составляющей alt  в общем потоке q внешней энергии, проникающей к зоне сублимации. Для доказательства этого положения представим себе, что в начальный момент alt  второго периода объемное поглощение внешней энергий прекратилось alt, а теплопередача к поверхностям фазового перехода alt, alt и alt стала осуществляться только кондукцией через обезвоженный слой  alt. Тогда при одинаковом температурном напоре alt  наименьшее термическое сопротивление имела бы поверхность alt, ближе всего расположенная к наружной поверхности объекта сушки. Следовательно, скорость движения alt  должна возрастать, а размер  alt – уменьшаться. Объемная форма сублимации оказалась бы неустойчивой и по мере углубления зоны фазового перехода в толщу материала перешла бы в поверхностную.

    Второй период сушки при радиационном энергоподводе  
    Рис. 3. Движение границы сублимации в материале в процессе сушки  

    В реальных условиях сушки скорость убывания доли alt зависит от количества и глубины микро- и макропор на обезвоженной поверхности материала. Чем больше поверхность пор и чем они глубже, тем продолжительнее эффект прямого облучения зоны сублимации и соответственно действие составляющей alt во втором периоде сушки. К примеру для сухой говядины в кусках характерны сравнительно крупные и глубокие макропоры (средний диаметр 1,2…1,3 мм, средняя глубина 1,5…1,7 мм). Видимо, этим обстоятельством объясняется медленное убывание размера alt в периоде  alt (см. рис. 3).

    При расчетах длительности второго периода сушки при радиационном энергоподводе обычно принимают, что, начиная с момента alt энергия к границе фазового перехода подводится только кондукцией alt через обезвоженную зону. Тогда задача сводится к отысканию закономерности движения фронта фазового перехода (шириной зоны alt сублимации пренебрегают), которая известна в литературе как задача Стефана. В этом случае для пластины длительность сушки alt пропорциональна квадрату толщины слоя, высохшего во втором периоде. Получение расчетной формулы alt возможно при допущении, что процесс сублимации в этом периоде квазистационарен, т.е. что скорость изменения координаты фронта сублимации несоизмеримо меньше температурных изменений в обезвоженной зоне, порождаемых перемещением фронта. При такой постановке в любой момент второго периода температурное поле в обезвоженной зоне принимается постоянным.



    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.