Содержание к диссертации
Введение
Глава I Перспективы производства, сушки и областей использования тыквы 6
1.1 .Перспективы производства и области использования тыквы 6
1.2. Состояние и пути совершенствования способов сушки тыквы 11
1.3 .Характеристика исследуемого сырья 34
1.4.Цель и задачи исследований 38
Глава II Теплофизические характеристики тыквы и основные термодинамические закономерности ее взаимодействия с водой 40
2.1 .Механизм взаимодействия различных продуктов с водой 40
2.2. Термодинамика внутреннего массопереноса при взаимодействии тыквы с водой . 45
2.3 .Определение теплофизических характеристик тыквы 5 5
2.3.1. Определение коэффициента температуропроводности тыквы 56
2.3.2. Определение коэффициента теплопроводности тыквы 63
Глава III Экспериментально-аналитическое изучение инфракрасного энергоподвода в процессе сушки 70
3.1. Выбор ИК-генератора на основе исследования терморадиацинных и оптических характеристик продукта 70
3.2. Выбор оптимального расположения ИК-генераторов 95
Глава IV Исследования влияния основных факторов на эффективность сушки 103
4.1. Влияние основных факторов на эффективность сушки 103
4.2. Анализ кинетики радиационно - кондуктивной сушки 116
Глава V Аналитический численный расчет полей температур, коэффициентов потенциалопроводности и молярного переноса пара с учетом динамики реального процесса сушки 139
5.1 Аналитический численный расчет полей температур в слое при радиационно - кондуктивной сушке. 139
5.2 Методика обеспечение определения коэффициентов потенциало(влаго)проводности и молярного переноса пара с учетом динамики реального процесса обезвоживания в неизотермических условиях на основе экспериментальных кривых скорости сушки 150
Общие выводы и заключение 15 5
Список использованной литературы 159
Приложение 1 170
Приложение 2 213
- Состояние и пути совершенствования способов сушки тыквы
- Термодинамика внутреннего массопереноса при взаимодействии тыквы с водой
- Выбор оптимального расположения ИК-генераторов
- Анализ кинетики радиационно - кондуктивной сушки
Введение к работе
Среди факторов питания, имеющих важнейшее значение для поддержания здоровья, работоспособности и активного долголетия, особая роль принадлежит полноценному и регулярному снабжению организма человека всеми необходимыми микронутриентами - витаминами, минеральными веществами, микроэлементами, в том числе минорными компонентами пищи. Организм человека не синтезирует указанные соединения и должен получать их в готовом виде с пищей, причём ежедневно, так как способность записать незаменимые вещества впрок у организма отсутствует.
В последние годы в рационе современного человека резко сократился объём натуральной пищи, что не позволяет обеспечить организм человека всеми необходимыми нутриентами. Для Российской Федерации вопросы обеспечения населения плодовоовощной продукцией особенно актуальны, поскольку большая часть территории не имеет благоприятных климатических условий для выращивания овощей и плодов, и значительная часть населения страны испытывает дефицит многих витаминов, минеральных веществ и других биологически активных соединений, крайне необходимых для жизнедеятельности человека.
Плодовоовощная промышленность способствует обеспечению равномерного потребления в течение года овощей и фруктов, длительному сохранению выращенного урожая и сокращению потерь.
В этой связи становятся важными исследования по изысканию нетрадиционных источников витаминов, минеральных веществ и других биологически активных соединений и получению качественных пищевых продуктов на их основе. Одним из малоисследованных сырьевых источников питательных веществ является тыква. Ареал возделывания тыквы крупноплодной занимает почти всю южную и среднюю полосы России, поднимаясь до 60 с.ш.
Мякоть тыквы содержит клетчатку и пектины, что делает эту культуру ценнейшим диетическим продуктом для больных с желудочно-кишечными заболеваниями.
Однако промышленное внедрение и надежное функционирование линий по переработки тыквы сдерживается отсутствием комплексных исследований по оптимизации технологических процессов на отдельных стадиях, таких как гранулирование, обезвоживание и т.д. Традиционные методы обезвоживания не могут быть использованы ввиду специфики химического состава продукта, относительно большой влажности, а также особенностям механизма внутреннего тепломассопереноса. Все это затрудняет использование традиционных способов обезвоживания и ставит задачу поиска новых методов, позволяющих повысить эффективность проведения процесса обезвоживания и получения конечного продукта высокого качества.
Настоящая диссертационная работа выполнена в соответствии с координационным планом НИР и региональной "Концепции и программы "Создание в Астраханской области комплекса по производству сухих плодоовощных продуктов, переработке и утилизации отходов и производство на их основе кормов, кормовых добавок и других продуктов и товаров" на 1998-2004 гг., под руководством профессора, доктора технических наук И.Ю. Алексаняна в Астраханском государственном техническом университете на кафедре «Технологические машины и оборудование». Отдельные исследования проводились в Московском государственном университете пищевых производств на кафедре «Машины и аппарата пищевых производств». Автор выражает глубокую признательность заведующему кафедрой «Процессы и аппараты пищевых производств» МГУ 1111 профессору, доктору технических наук Плаксину Ю.М., асе. Сергееву А.Н. за оказанную помощь в постановке и проведение экспериментов.
Состояние и пути совершенствования способов сушки тыквы
Овощи и фрукты относятся к необходимым для человека продуктам питания. Однако из-за высокого содержания воды (до 76 - 96%) нестойки при хранении в результате микробиологической, ферментативной порчи и химического воздействия составных частей в водных растворах. Сушка этих материалов до остаточной влажности 8 - 20% предохраняет указанные воздействия. Сушеные продукты содержат питательные вещества в наиболее концентрированном виде в сравнении с продуктами других видов консервирования и не требуют создания особых условий при хранении.
Сушка - один из самых энергоемких процессов пищевой технологии, а для многих производств - это завершающий процесс, определяющий качество готового продукта.
Актуальной задачей на сегодняшний день является оптимизация и интенсификация процесса сушки, что позволит повысить качество и улучшить условия хранения продукта, сократить продолжительность процесса, сберечь материальные и энергоресурсы; решить проблемы экологии.
Разработка новой технологии и техники сушки - это нетрадиционные аппаратурно-технологические решения и новые подходы к описанию процесса, позволяющие выбрать рациональный способ сушки; решить задачи прогнозирования явлений, процессов, систем; найти пути резкого повышения эффективности процесса сушки и сушильного оборудования. Интенсификация процесса сушки тесно связана с развитием новых направлений в технологии и теории сушки и ее аппаратурном оформлении.
Сушильная установка - это лишь инструмент, позволяющий повысить эффективность того или иного способа обезвоживания, научно-обоснованному выбору, которого на начальном этапе исследований необходимо уделить особенное внимание. Многими исследователями предпринимались попытки экономически обосновать рекомендации по выбору оборудования и разработать критерии оптимальности технологии сушки, принципы создания гибких модулей обезвоживания. Первые рекомендации по выбору рационального способа сушки разработаны А. В. Лыковым. В работе /81,89,122/ предложены не только рекомендации по выбору способа сушки, но и алгоритмы определения рационального сушильного оборудования как для периодического, так и для непрерывного способов сушки, разработаны принципы выбора нетрадиционных способов сушки. Конструкция сушилки должна, прежде всего, обеспечить равномерный нагрев и сушку продукта при надежном контроле его температуры и влажности. Сушилки при высокой производительности должны быть экономичными по удельным расходам теплоты и электроэнергии, иметь, возможно меньшую металлоемкость. Современные сушилки должны быть универсальны, для возможности сушки различных материалов.
Сушильные установки классифицируются по ряду признаков: 1. по способу подвода тепла к влажному материалу — конвективные, кондуктивные (контактные), радиационные при помощи инфракрасных лучей, при помощи токов высокой (ТВЧ) и сверхвысокой частоты (СВЧ); 2. по давлению воздуха в сушильной камере - атмосферные и вакуумные; 3. по характеру работы - аппараты периодического и непрерывного действия; 4. по виду сушильного агента - аппараты, использующие нагретый воздух, дымовые газы, смесь воздуха с дымовыми газами или перегретый пар; 5. по циркуляции сушильного агента - установки с естественной циркуляцией и с принудительной циркуляцией при помощи центробежных и осевых вентиляторов; 6. по характеру движения сушильного агента относительно материала -прямоточные при одинаковом направлении движения сушильного агента и материала; противоточные при противоположном направлении движения материала и сушильного агента; с пронизыванием слоя материала потоком сушильного агента перпендикулярно движению материала; 7. по способу нагрева сушильного агента - сушильные установки с паровыми, огневыми калориферами и топками на жидком и газовом топливе; 8. по кратности использования сушильного агента с однократным и многократным применением нагретого воздуха в различных вариантах; 9. по виду объекта сушки - для твердых (крупных, мелких, пылевидных), жидких и пастообразных материалов; 10 по конструктивным признакам - тоннельные, камерные, шахтные, коридорные, барабанные, вальцевые и др. Методы сушки различаются способами подвода теплоты. В сушильной технике применяются конвективный, кондуктивный (контактный), термоизлучением (при помощи инфракрасных лучей) и токами высокой и сверхвысокой частоты.
Конвективный способ сушки материалов получил широкое распространение. Сушильный агент (нагретый воздух, перегретый пар либо смесь топочных газов) выполняет функции теплоносителя и влагопоглотителя. Простота, возможность регулирования температуры материала - преимущества этого метода. Но при этом способе градиент температуры направлен в сторону, противоположную градиенту влагосодержания, что тормозит удаление влаги из материала. Другим недостатком конвективного способа сушки являются относительно небольшие величины коэффициента теплоотдачи от сушильного агента к поверхности материала. /94/
Возможности интенсификации конвективной сушки связаны с увеличением интенсивности тепломассообмена между материалом и сушильным агентом путем повышения скорости и температуры сушильного агента либо диспергирования и уменьшения размера частиц, что ведет к увеличению поверхности влагообмена.
В камерных, ленточных конвейерных, тоннельных и шахтных сушильных установках процесс осуществляется в неподвижном и малоподвижном слое.
Тоннельные сушильные установки используют для сушки плодов. Для их установки характерны простота конструкции, надежность в работе. Применение смеси топочных газов с воздухом в них хотя и экономично, но существует опасность возникновения канцерогенных веществ. В связи с этим в современных тоннельных сушильных установках модернизирована система подготовки сушильного агента. Вместо смеси топочных газов и воздуха применяют воздух, нагретый в огневых калориферах без непосредственного контакта с топочными газами. Теплообмен между воздухом и продуктами сгорания топлива в огневых калориферах - через металлические стенки.
Основной недостаток тоннельных сушильных установок - параллельное движение воздуха и материала, что значительно уменьшает контакт и теплообмен между ними. Так, по сравнению с пронизыванием слоя материала нагретым воздухом теплообмен в тоннельных сушильных установках приблизительно вдвое меньше, а продолжительность сушки, например, яблок, в 3-4 раза больше, чем в ленточных конвейерных сушильных установках. Кроме того, обслуживание тоннельных сушилок требует больших затрат ручного труда на загрузку и выгрузку материала.
Термодинамика внутреннего массопереноса при взаимодействии тыквы с водой
Так как диапазон влагосодержаний, лимитирующий процесс сушки, а при сушке тыквы весь диапазон находится в гигроскопической области, то механизм массопереноса, при обезвоживании определяется формой и энергией связи влаги с материалом. Известно /59/, что потенциалом переноса влаги является химический потенциал ju, который в гигроскопической области является функцией влагосодержания U и температуры Т ., в (2.15) получим = -R-(cu-U.+c2i) (2.16).
Очевидно, что сумма слагаемых уравнения (2.12) не зависящих от Т представляет собой дифференциальное изменение внутренней энергии (теплового эффекта) сорбции. На рис. 2.3. для тыквы представлены соответственно зависимости для (dupj Т,Р ґдАЕ ldUp) Т,Р dAS 1дир) Т,Р для 4х участков сорбции и их графическая интерпретация, которая также имеет вид ломаных линий. Анализ полученных результатов позволяет сделать ряд выводов: \ \ 1 1 л/ J- Рис. 2.3. Зависимость свободной (d„ связанной т I 9iS I и внутренней энергии от влагосолержания Wp при сорбции тыквы (1,2.3 при Т=293 К; Г, 2\ 3 при Т=323 К) 1. Значение дифференциальною изменения свободной энергии и [su,) во всей области, что подтверждается исследованиями по кинетике влагопоглощения. показывающими, что тыква обладая высокой гигроскопичностью, с большими Aw 0.8, в процессе сорбции самопроизвольно переходят в растворенное состояние; 2. Уменьшение энтропийной составляющей (дифференциального изменения энтропии) на двух первых участках, как видно на рис.2.3., свидетельствует о том, что вода при этом специфически ориентируется, образует водородные связи между собой и молекулами тыквы, причем образующийся "монослой" поляризуется, поляризуя в свою очередь последующие слои. Согласно /113/, гидратная оболочка должна обладать высокой степенью кооперативности, т.е. приводить к повышению степени упорядоченности системы. Т.е. воду окружающую молекулы тыквы можно рассматривать как льдообразную, сильно структурированную.
В дальнейшем энтропийная составляющая начинает возрастать, и на последнем участке растворение тыквы определяется чисто энтропийным фактором, определяющим условия термодинамического равновесия, причем ( dAS величинаГ KdUPJ приобретает положительное значение. Т,Р Это довольно нетипично для большинства пищевых продуктов, у которых дифференциальное изменение связанной энергии всегда имеет отрицательную величину асимптотически приближаясь к нулю при увеличении Up, кроме того энтропийный член весьма мал по сравнению с изменением внутренней энергии /21/. Из /63,113, 124/ следует, что подобная аномалия возможна при значительной гибкости молекул тыквы, по сравнению с большинством пищевых продуктов, имеющих жесткие молекулярные цепи; 3. Из рис. 3.2 видно, что дифференциальное изменение внутренней энергии на 1-ом участке равно "О", т.е. практически тепловые эффекты отсутствуют, а на 2 ґдАЕЛ отрицательна, причем ломанная ом, 3-ем и 4-ом участках величина KdUPJ линия имеет экстремальный характер в связи с, первоначально, образованием водородных связей между самими молекулами воды и дальнейшим незначительными набуханием, взаимной диффузией молекул воды и тыквы. Все это говорит о том, что тыква относятся к стеклующимся биополимерам, с нетипичными особенностями механизма сорбционного взаимодействия.
В дифференциальное уравнение переноса тепла /59 /, как известно, входит теплота испарения г . При удалении влаги, связанной с материалом, г представляется как сумма теплоты парообразования свободной воды г" и гсм теплоты смачивания, определяемой дифференциальным изменением свободной энергии изотермического обезвоживания. гсм численно равна работе отрыва одного моля воды от материала при Т = const. Согласно справочным данным функция г = f(T) является линейной в диапазоне Т =295-353К (диапазон Т в процессе сушки тыквы). \
Для анализа движущих сил в процессе сорбции (десорбции) с целью выбора оптимальных режимов энергоподвода интересно рассчитать численные значения и получить функциональную зависимость от U, температурного и термоградиентного коэффициентов массопереноса.
\ Влага на этом участке перемещается против потока тепла. Здесь по-видимому имеет место явление экспериментально обнаруженное Б.В.Дерягиным и Г.П.Сидоренковым /59 / и названное авторами "термоосмотическим эффектом". Скорость такого термоосмотического движения пропорциональна VI ине зависит от радиуса капилляра. Движение влаги в этом случае обусловлено взаимодействием её с молекулами тыквы.
Общий поток влаги при Up 0,8 кг/кг определяется, по- видимому /59 /, эффузией (кнудсеновским течением), осложненной, ввиду гибкости молекул тыквы, уменьшением эквивалентных радиусов и разветвлением сети микрокапилляров в процессе сушки, и как бы их закупоркой.
Для интенсификации процесса сушки тыквы, являющихся «трудносохнущими» продуктами, следует очевидно увеличить поверхность влагообмена и уменьшить контакты между отдельными частицами тыквы для уменьшения эффекта стеклования.
Это может быть достигнуто за счет предварительной грануляции продукта перед сушкой. Термоосмотический эффект определяет целесообразность объемных, либо поверхностных (со стороны удаления влаги) способов энергоподвода (конвективный, ИК, СВЧ). Использование кондуктивного энергоподвода нецелесообразно, так как термоосмотический эффект способствует более быстрому разрушению структуры.
Для решения дифференциального уравнения переноса тепла /51,9,59/ и научного анализа процесса сушки необходимы изучение и расчет теплофизических характеристик (ТФХ). Одной из сложностей получения аналитического решения является то, что теплофизические характеристики продукта изменяются в зависимости от температуры, количества удаляемой влаги, фазовых переходов и т.д. Таким образом, точное аналитическое решение вследствие множества переменных физических величин получить весьма трудно.
Известно, что теплофизические свойства продукта оказывают значительное влияние на продолжительность процесса сушки.
Так как в литературных источниках отсутствуют данные по изменению теплофизических характеристик тыквы в зависимости от температуры и влажности, были проведены опыты по определению ТФХ.
Для оценки влияния отдельных теплофизических свойств на характер и продолжительность сушки были экспериментально определены зависимости коэффициента температуропроводности а и теплопроводности А, от температуры и относительной влажности продукта.
При выборе метода исследования теплофизических коэффициентов приходится считаться с тем, что многие материалы, в частности тыква, не являются твердыми телами в том смысле, который придают этому слову в физике и теории теплообмена, а представляют собой капиллярно-пористые системы с порами или ячейками различной формы и размеров, заполненными газом или жидкостью или их смесью. Передача тепловой энергии в них происходит теплопроводностью через твердый скелет, теплопроводностью и конвекцией через заполненные жидкостью ячейки.
Количество тепловой энергии, передающейся любым из способов, можно приблизительно считать пропорциональным разности температур двух прилежащих термических поверхностей. Поэтому принимают, что математически суммарный процесс передачи тепла в таких материалах как тыква происходит согласно закону Фурье, но под А, понимают уже условный коэффициент, который численно характеризует способность продукта передавать тепловую энергию указанными способами (принимая во внимание и фазовый переход вода-пар). Точно так же условный смысл приобретает и коэффициент температуропроводности, и теплоемкости.
Выбор оптимального расположения ИК-генераторов
Так как определено максимально-допустимое значение плотности теплового потока, очевидна необходимость расчета взаимного расположения ИК-генераторов, обеспечивающего равномерное распределение заданной плотности теплового потока.
Расположение излучателей относительно рабочий поверхности представлено на рис.3.11. Такой порядок установки ламп целесообразен исходя из требований к ИК-излучателям и удобства их монтажа.
Для эффективной работы сушильной установки важным условием является в первую очередь равномерность распределения лучистого теплового потока на поверхности слоя по нормали к траектории движения.
Ввиду того, что экспериментальное изучение полей энергетической освещенности (ПЭО) непосредственно в процессе сушки весьма затруднительно, и практически невозможно без значительных погрешностей, целесообразно прибегнуть к аналитическим методам расчета ПЭО. Характер ПЭО зависит от терморадиационных характеристик продукта, отражателя, ограждений и т.д., режимов работы излучателей; расстояний от излучателей до рефлектора и поверхности продукта (hH=z - расстояние от ламп до дисков); взаимного расположения ИК-генераторов.
Энергетическая яркость (лучистость) В определяет удельную плотность потока теплового излучения в телесном угле dw в заданном направлении, задаваемом углом 0 к нормали п поверхности в окрестности рассматриваемой точки .
Для практической проверки теоретических исследований процессов сушки, термодинамического анализа взаимодействия продуктов с водой и механизма устойчивости структуры, выбора рационального способа энергоподвода, а также отработки оптимальных режимов сушки, проведены эксперименты по изучению кинетики сушки и влияния основных факторов на ее эффективность на экспериментальной установке при РІК - энергоподводе.
Экспериментальная установка, позволяющая осуществить сушку продукта (тыквы) на ровной пластине из нержавеющей стали (8=0,5 мм; S=0,0107 м ) при радиационном энергоподводе, показана на рис.5.1. Нагрев сохнущего продукта осуществлялся посредством трубчатых галогенных ламп КГТ-220 1000. Начальная температура пластины и температура продукта регистрировалась автоматическим потенциометром КСП-4 в комплекте с хромель-копелевыми термопарами. Измерение убыли массы в процессе сушки осуществлялось с помощью модернизированных весов ВЛК-500, изменяющейся при варьировании веса. Перед опытами проводилась градуировка весов в реальных условиях сушки. Весы соединялись с горизонтальной пластиной, на которую укладывался продукт. Камера снабжена смотровыми окнами для визуального наблюдения процесса сушки. Величина остаточного давления контролировалась по вакуумметру.
Предусмотрена также возможность взаимного перемещения ИК-ламп и продукта. Каждый излучатель можно включить независимо от другого, регулировка напряжения осуществлялась посредством тиристорного регулятора, связанного с приборами контроля напряжения и силы тока на щите управления.
Для оценки зависимости эффективности сушки от количества тепла, подводимого к слою продукта, расчета распределения объемной плотности поглощенной энергии по толщине слоя и температурных полей, необходимо экспериментальное определение оптимальных и максимально допустимых значений лучистых тепловых потоков, точный аналитический расчет которых, с учетом многократных отражений в камере, ввиду сложности конструкции экспериментальной установки, затруднен.
На основе литературного анализа методов измерения тепловых потоков площади облучения. Для исключения потерь излучения при градуировке, облучение датчика проводилось в коллимационной трубе с зеркальной внутренней поверхностью. Зависимость е = f(q) (е- сигнал датчика в мВ, q -плотность потока (Вт/м ), прошедшего через датчик и вызвавшего сигнал е ) получилась линейной, проходящей через начало координат, что подтверждает правильность градуировки тепломера, с помощью которого определены значения qn при различных видах и количестве РЖ-генераторов, а также их расположении по отношению к рабочей поверхности.
Для исследований использовалась гранулы тыквы обыкновенной, начальное влагосодержание которых контролировалось посредством высушивания навесок до постоянного веса. Эксперименты проводились с помощью вероятно-статистических методов, используемых для проверки теоретического анализа и применяемых при исследовании процессов, сведения о которых явно недостаточны с целью их оптимизации.
Анализ литературы показывает, что к основным факторам, влияющим на интенсивность процесса сушки при радиационном энергоподводе относятся: исходная концентрация сухих веществ с (кг/кг), диаметр гранул d (м), частота вращения шнека гранулятора со (об/мин), плотность теплового потока Е (кВт/м), длина волны Ятах (мкм), соответствующая максимальной интенсивности излучения, зависящая от вида излучателя, являющаяся однозначной функцией напряжения, подаваемого на излучатели, определяющего температуру излучающей поверхности; исходная температура подаваемого продукта, плотность, зависящие от перечисленных выше факторов. Границы варьирования факторов выбраны, исходя из технологических ограничений и возможностей технического осуществления процесса сушки. Начальная температура пластины, согласно исследованиям на макете сушилки должна быть стабилизирована и равна 60С, такая температура рабочей поверхности устанавливается в процессе непрерывной сушки тыквы без локального подгорания и разрушения гранулы тыквы. Эксперименты проводились по многоуровневому многофакторному плану и по однофакторному многоуровневому плану, при фиксации всех побочных параметров для уточнения влияния отдельных факторов на эффективность обезвоживания, составления полной формализованной математической модели и окончательной отработки режимов.
Обработку экспериментальных данных проводили с использованием математического пакета MathCAD и процессора электронных таблиц Excel в среде Windows 95/111/. На основе априорного анализа литературных данных наиболее приемлемыми для обезвоживания пищевых продуктов с низким коэффициентом теплопроводности, являются "светлые" ИК-излучатели /39,43,54,145/. В экспериментах энергоподвод осуществлялся галогенными лампами КГТ-220-І000, на которые подавалось различное напряжение (U = 140; 170; 220 В). При этом потребляемая мощность и тепловой поток оставался одним и тем же, что достигалось изменением числа ламп и расстояния от них до пластины. (Еп=2,25 кВт/м ; N=1 кВт). Значительное влияние на скорость сушки и величину съема сухого продукта оказывает исходная концентрация раствора, варьируемая, исходя из данных и ТФ характеристик, в пределах 15-20%..
Анализ кинетики радиационно - кондуктивной сушки
Пленочным движением влаги в виде жидкости, с нашей точки зрения, можно пренебречь по сравнению с паропереносом. Согласно вышеизложенному в системе уравнений тепло- и массопереноса /59 / коэффициент фазового превращения є с достаточной точностью можно принять равным 1. Причем относительно равномерное обезвоживание пленок в процессе сушки позволяет заменить величину EL для элементарного объема /59/ на — (или -— ,где и - среднее dr dr dx влагосодержание по слою (в определенный момент времени), зависимость которого от времени определяется на основе кривых сушки и скорости обезвоживания, а также аппроксимирующих их уравнений. Таким образом, в уравнение переноса тепла /59/ можно подставить экспериментально-аналитические зависимости, полученные для каждой зоны сушки.
Сделанные выше выводы о механизме влагопереноса в какой-то мере подтверждаются при анализе скорости сушки в случае различных варьируемых параметров. Так, при изменении количества ламп в камере и температуры выше 40С появляется участок постоянной скорости сушки, обусловленный разрушением структуры продукта. Снижение скорости после Nmax в данных условиях при незначительной усадке слоя обусловлено, по-видимому, разрушением (разрывом) утончающихся пленок, стеканием пленочной жидкости и, как следствие, уменьшением поверхности испарения. Интерес представляют исследования механизма внутреннего массопереноса в комплексных системах. Значения критических влажностей (концентраций) и скоростей сушки (приведенных скоростей) в точках перегиба обусловлены изменением характеристик продукта, энергетики и вида связи влаги с материалом, т.к. характерные точки соответствуют приблизительно одинаковым влажностям, значения которых согласуются с результатами исследований характеристик и закономерностей взаимодействия продуктов с водой (гл.2), а также структурно-механическими изменениями, взаимосвязанными с интенсивностью (начальным тепловым импульсом, тепломассообменной инерционностью системы) процесса сушки и определяемыми комплексом характеристик продукта.
Получены уравнения скорости влагоудаления для различных зон обезвоживания и аппроксимирующие зависимости кинетических коэффициентов сушки от различных факторов, которые при заданных начальных условиях и режимах сушки позволяют получить функциональные зависимости для продолжительности обезвоживания в любой зоне.
При возрастании скорости сушки до максимума происходит относительно равномерное испарение влаги внутрь пор при отсутствии усадки.
В работах Лебедева П.Д. /53-57/ отмечено, что при комбинированной высокочастотной и радиационной сушке, несмотря на крайне незначительные значения градиентов влагосодержания и температуры, интенсивность сушки, а следовательно, и плотность потока влаги имели весьма большие значения, т.е. движущей силой является градиент избыточного давления пара, что, очевидно, определяется повышением температуры и давления внутренних слоев при объемном энергоподводе.
Только действием градиента давлений могут быть просто объяснены закономерности сушки материалов в жидких средах, процессы автоклавной сушки материалов со сбросом давления, огромная интенсивность испарения в начальный момент при сублимационной сушке материалов, резкое увеличение объема частиц при высокотемпературной пневматической сушке или в кипящем слое, необъяснимые иным путем периодические ускорения и замедления сушки паст контактным способом и многие другие явления. Лебедев П.Д. отмечает, что градиент давлений является мощным фактором, интенсифицирующим перенос влаги.
Согласно теориям набухания Липатова СМ /58/и сушки Лыкова А.В./59 / коллоидное тело состоит из смеси фракций различного молекулярного веса или степени дисперсности. Нерастворимые фракции высокомолекулярного веса образуют скелет из замкнутых клеток (ячеек), внутри которых находится растворимая фракция, которая может пройти через стенку клетки путем избирательной диффузии (осмоса) за счет разности осмотических давлений или путем ультрафильтрации под действием градиента общего давления. Клеточные мембраны вообще представляют большой интерес. Их свойства отличаются от свойств разделяемых ими фаз. Ситуация усложняется, когда только часть порового пространства содержит живые клетки, а дисперсионной средой является газ, т.е. пористая среда находится при неполном насыщении.
При построении физической и математической моделей полагаем, что усадка продукта при «высокоинтенсивной» сушке незначительна, что подтверждено экспериментально, а коэффициенты проницаемости пара и жидкости равны. Анализ массообменного критерия Фурье показывает, что локальное термодинамическое равновесие в микропорах цилиндрической, сферической и плоской геометрии наступает за время релаксации, значительно меньшее, чем время протекания процесса сушки.
На кривых скорости сушки продукта при ИК-сушке наблюдается аномальный рост скорости (описанный в /З, II) (рис.5.5, 5.7, 5.9, 5.11) при низкой влажности для «высокоинтенсивной» радиационной сушке или периодические пики с участками постоянной скорости в течение всего процесса (при количестве 3-4 лампы) при меньшей интенсивности (количество ламп меньше 3-х), что объясняется повышением интенсивности удаления осмотической влаги и пара внутри ячеек, мицелл, клеток, вследствие либо резкого, либо периодического разрушения полупроницаемых оболочек клеток или мицелл и ячеек (парниковый эффект) при повышении внутреннего давления и образовании молярных потоков пара, создания существенных градиентов общего давления, и, как следствие, резким снижением энергии связи влаги с материалом, т.к. осмотическая, иммобилизационная и структурная влага является по своим свойствам «свободной» влагой, удерживаемой механически стенками полупроницаемых оболочек и осмотическими силами, при разрушении которых и наблюдается рост и участок постоянной скорости сушки (рис. 5.5, 5.7, 5.9, 5.11). По классификации Лыкова А.В. слабая обратимая осмотическая связь-удерживание нарушается при разрушении структуры, отжатии давлением или образовании более концентрированного раствора вне клетки (оболочки). Все это говорит в пользу осциллирующих режимов сушки продуктов растительного происхождения. Анализ показывает, что удалению механически и осмотически удерживаемой влаги способствует диспергирование структуры продукта, создание большого градиента давлений, объемные энергоподвод и влагоотнятие. Осмотический и структурный характер связи в отличие от энергетического связывания воды химическими и молекулярными силами определяется величиной энтропии, т.е. такую влагу можно считать энтропийно связанной, что подтверждает значительное влияние энтропийной составляющей свободной энергии „ d{AS).
Перемещение влаги к поверхности через сеть микрокапилляров или пленочный каркас осуществляется, в основном, в виде пара, диффундирующего через утончающиеся в процессе обезвоживания пленки жидкости и стенки капилляров, при увеличении градиента давления пара в слое, что приводит к росту скорости диффузии вышеперечисленными способами и по механизму, подобному описанному А.В.Лыковым при движении пара через "закрытые" жидкостными менисками капилляры, где на одном мениске происходит испарение жидкости, а на другом - конденсация равного количества пара, при очень малом перепаде температуры вдоль капиллярной поры, т.е. испарение и конденсация происходили бы при одинаковой температуре, а количество испарившейся и сконденсировавшейся жидкости равно. Такой перенос пара внутри "закрытой поры" термодинамически равнозначен переносу жидкости. На мениске изменяется температура при изменении давления, что обуславливает большую интенсивность испарения по сравнению с конденсацией (отвод энергии) с одной стороны клетки и, наоборот (подвод энергии), с другой.
