Данный период называют периодом убывающего энергоподвода . Он характеризуется образованием на поверхности объекта обезвоженной зоны и углублением границы фазового перехода в толщу материала. Для того чтобы поддержать
на уровне
необходимо уменьшать
, так как непрерывно возрастает термическое сопротивление обезвоженной зоны материала. Особого внимания заслуживает начало второго периода
, когда происходит качественное изменение характера поглощения внешней энергии. На этом интервале времени наблюдается наибольшая скорость снижения
, 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
мкм (температура излучателя
), проникает на глубину 4—6 мм и более, тогда как глубина проникновения лучистой энергии вблизи
мкм составляет 0,8—1,5 мм, а при температуре
– всего несколько микрометров. К примеру, при высокотемпературном радиационном энергоподводе от «светлых» излучателей в период 10…20 мин после момента
интенсивность энергоподвода
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
зависит прежде всего от температуры. Когда поверхностный слой
вступает в температурную область, близкую к
, то в этот момент резко снижается способность материала к объемному поглощению энергии.
[banner_yandex-direkt-v-textah-statei]{banner_yandex-direkt-v-textah-statei}[/banner_yandex-direkt-v-textah-statei]
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 , 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
объёмное поглощение внешней энергии слоем
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
, чтобы правильно выбрать настройки автоматического регулятора, управляющего процессом.
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 , длительность прохождения этой зоны через каждый слой объекта
, а также критическое влагосодержание материала
.
![]() |
|
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 (см. рис. 2б). Процесс сублимации влаги из j-го слоя заканчивается в момент
(см. рис. 2б), когда фиксируется повышение температуры слоя
от её исходного значения
. Согласно приведенному выше определению в момент
влагосодержание слоя равно критическому
. Поскольку сублимация влаги в слое начинается в момент
, а заканчивается в момент
, то время прохождения зоны сублимации через этот слой составляет
. За период
влагосодержание слоя изменяется от начального
до критического
. От момента
и до конца сушки
из слоя испаряется не вымороженная при температуре сублимации
влага. За период
влагосодержание слоя изменяется от критического
до конечного
. На рис. 2б проведенные из точек
вертикальные прямые (отмечены стрелками) пересекаются с кривыми
в точках
. Эти точки расположены в узкой области критического влагосодержания (0,4…0,5 кг/кг). К примеру, при
расчётное значение критического влагосодержания говядины
кг/кг находится вблизи этой области.
Таблица 1 | |
![]() |
Известные графические способы определения границы свободной и связанной влаги , 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 и окончания
процесса сублимации в материале.
В произвольной точке периода
восстановим перпендикуляр MP к оси абсцисс (см. рис. 3). Отрезок
этого перпендикуляра, расположенный между
и
, определяет ширину зоны сублимации в данный момент сушки
. Отрезок между
и осью времени
равен ширине обезвоженной (условно сухой) зоны материала. Отрезок
, отсекаемый
и прямой
(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 :
![]() |
0 | 30 | 40 | 60 | 90 | 120 | 150 | 180 | 185 |
![]() |
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 в периоде
объясняется ростом доли кондуктивной составляющей
в общем потоке q внешней энергии, проникающей к зоне сублимации. Для доказательства этого положения представим себе, что в начальный момент
второго периода объемное поглощение внешней энергий прекратилось
, а теплопередача к поверхностям фазового перехода
,
и
стала осуществляться только кондукцией через обезвоженный слой
. Тогда при одинаковом температурном напоре
наименьшее термическое сопротивление имела бы поверхность
, ближе всего расположенная к наружной поверхности объекта сушки. Следовательно, скорость движения
должна возрастать, а размер
– уменьшаться. Объемная форма сублимации оказалась бы неустойчивой и по мере углубления зоны фазового перехода в толщу материала перешла бы в поверхностную.
![]() |
|
Рис. 3. Движение границы сублимации в материале в процессе сушки |
В реальных условиях сушки скорость убывания доли 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
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
в периоде
(см. рис. 3).
При расчетах длительности второго периода сушки при радиационном энергоподводе обычно принимают, что, начиная с момента энергия к границе фазового перехода подводится только кондукцией
через обезвоженную зону. Тогда задача сводится к отысканию закономерности движения фронта фазового перехода (шириной зоны
сублимации пренебрегают), которая известна в литературе как задача Стефана. В этом случае для пластины длительность сушки
пропорциональна квадрату толщины слоя, высохшего во втором периоде. Получение расчетной формулы
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.