Содержание к диссертации
Введение
1. Физические модели процессов вакуумного обезвоживания и их аналитическое описание в идеализированных условиях и реальных промышленных технологиях 19
Выводы по главе 1, задачи исследования : 35
2. Флуктуации в процессе сублимационного обезвоживания, их классификация и способы устранения 37
2.1. Флуктуация теплофизических характеристик реальных объектов сушки 38
2.2. Различная массопроводность осушенной зоны 39
2.3. Ориентация волокон в продукте относительно линий теплового потока 41
2.4. Отклонения толщины слоя продукта от заданного уровня .45
2.5. Размеры частиц и неоднородность контакта их между собой 52
2.6. Краевой эффект 54
2.7. Неравномерность полей энергетической освещённости 56
2.8. Флуктуации, порожденные конструктивными особенностями сублимационных установок, недостатками и ошибками при их проектировании 57
2.9. Неравномерность контактирования емкостей с продуктом и греющей поверхностью 61
2.10. Неравномерность контактирования продукта с внутренней частью емкостей 65
2.11. Неравномерность сушки в случае натекания газов 70
2.12. Способы управления процессом вакуумного обезвоживания 70
2.13. Разработка программы энергоподвода, обеспечивающей заданный уровень качества сухого продукта 72
2.14. Влияние сокращения длительности обезвоживания на качество продукта 74
Выводы по главе 2 75
3. Аналитическое описание тепломассоомена в процессах вакуумного обезвоживания 77
3.1 Физическая модель процесса сублимации слоя материала при кондуктивном энергоподводе 77
3.2. Определение продолжительности цикла сублимационного обезвоживания при кондуктивном энергоподводе с учётом условий контактирования 82
3.3. Определение расчетным путем теплового потока от греющей поверхности к продукту через донышко емкости при реальных условиях контактирования 99
3.4. Разработка математической модели процесса сублимационного обезвоживания с учетом реальных особенностей 102
3.4.1. Основные положения, на которых построена математическая модель 103
3.4.2. Развитие математической модели процесса сублимации 105
3.4.3. Реализация разработанной математической модели 106
3.4.4. Сравнительные расчеты на основе разработанной математической модели 107
3.4.5 Компьютерное моделирование «краевого эффекта» в процессах вакуумного обезвоживания 111
Выводы по главе 3 112
4. Экспериментальные исследования вакуумного обезвоживания 113
4.1. Экспериментальный стенд для изучения процессов вакуумного обезвоживания. Конструкция, назначение 113
4.2. Исследование тепловой проводимости донышка стеклянной емкости v 120
4.3. Исследование влияния условий контактирования в реальном цикле обезвоживания термолабильных биообъектов 130
4.4. Изучение степени влияния ориентированности волокон пищевого продукта на продолжительность обезвоживания 144
4.5. Изучение «краевого эффекта» 148
Выводы по главе 4 153
Общие выводы 157
Литература 159
Приложения
- Флуктуации, порожденные конструктивными особенностями сублимационных установок, недостатками и ошибками при их проектировании
- Определение продолжительности цикла сублимационного обезвоживания при кондуктивном энергоподводе с учётом условий контактирования
- Сравнительные расчеты на основе разработанной математической модели
- Исследование влияния условий контактирования в реальном цикле обезвоживания термолабильных биообъектов
Введение к работе
Технологии вакуумной сушки термолабильных материалов получают все более широкое практическое применение в отраслях пищевой промышленности, Фарминдустрии, прикладной биотехнологии.
Удаление влаги в вакууме при давлениях ниже давления тройной точки воды (4,58 мм.рт.ст. или 611,73 Па) фазовым переходом «лед - пар» (сублимацией) из предварительно замороженных при низких температурах материалов называется сублимационной (реже лиофильной, молекулярной) сушкой. Такая сушка обеспечивает высокий уровень сохранности исходных свойств продукта (до 90 % позволяет сохранить питательные вещества, витамины, микроэлементы, первоначальную форму, естественный запах, вкус и цвет). Замораживание обеспечивает фиксацию важнейших свойств продукта (форма, размер, вкус, цвет, витаминный и белковый состав и т.д.), а последующая сублимация льда создает пористую структуру. При этом сублимационное обезвоживание предполагает мягкие режимы термообработки в вакууме и позволяют получить конечную влажность на уровне нескольких процентов. В итоге качество сублимированных продуктов очень высокое. Они имеют длительные сроки хранения при нерегулярных температурах, легко регидратируются перед дальнейшим применением, имеют гораздо меньший удельный вес (порядка 1/5-1/10 веса свежих продуктов).
В ряде случаев, например, при производстве сухих легкорастворимых антибиотиков, бактерийных и вирусных препаратов, заквасок и ферментов, кисломолочных продуктов; БАДов и т.п., сублимационная сушка пока не имеет альтернативы. " Способом сублимационной сушки отлично консервируются фрукты, овощи, молочные изделия, мясо, рыба, супы и каши, грибы, приправы. Сублимированные продукты имеют широчайшие возможности для использования, как в качестве готовых продуктов быстрого приготовления, так и в качестве полуфабрикатов для дальнейшей промышленной переработки (кондитерская, пищеконцетратная, мясомолочная, парфюмерная и другие отрасли). Сублимированные продукты составляют значительную часть.рациона1 космонавтов, используются, в армии и на флоте, очень удобны для организации* питания- туристов, а также всех людей работающих в удаленных труднодоступных, точках. Крупные заводы по* производству сублимированных продуктов; имеются в США, Бразилии, Германии, Франции, Италии, Китае. В' последнее десятилетие также производства созданы в Польше, при этом-ассортимент готовой продукции насчитывает десятки наименований. В последние годы создан ряд новых успешно действующих производств сублимированных продуктов, примерами которых являются: новый завод сублимационной сушки в г. Боровске (установки с радиационным энергоподводом с загрузкой 300 кг/цикл сушки), завод в г. Волгограде (установки с кондуктивным энергоподводом с загрузкой 350-400 кг/цикл сушки). Ведутся работы по созданию аналогичных предприятий* ближнем, зарубежье.
В фармацевтике используют установки производительностью 30 - 100 кг удалённой- влаги за цикл высушивания. Все установки имеют кондуктивный энергоподвод от греющих полок. Объекты обезвоживания замораживают и> сушат в стеклянных емкостях - в основном, флаконах и ампулах, а также чашках Петри. При этом флаконы или ампулы размещают либо непосредственно на греющей полке, либо в кассетах, которые также ставятся на нагреватель. В каждой кассете порядка сотни флаконов (ампул). Температура нагревателей задаётся более низкая, чем при-радиационном (порядка 35-50) С, и выдерживается на определенном уровне в рамках каждого цикла.
Консервирование сублимационной сушкой в пищевой промышленности имеет ряд особенностей. Как правило, оборудование работает круглосуточно. Используются достаточно крупные установки производительностью 100 — 500v кг удалённой влаги за цикл сушки. В основном энергоподвод к объекту сушки радиационный. Пищевые продуктьг сушат в противнях из нержавеющей стали или алюминия площадью обычно 0,2 — 0,6 м2 каждый.
Сублимационное обезвоживание стало использоваться для консервирования продуктов в пищевой промышленности в .1950-1960-е годы. Изучению процесса сублимационной сушки посвящены работы многих отечественных и зарубежных учёных. Большое количество работ направлено на изучение процесса в целом, разработку оборудования, интенсификацию процесса, снижение энергозатрат, разработку технологических особенностей, режимных параметров и др. Физические основы процесса вакуумной сублимационной сушки были созданы в начале XX века. Первые публикации по результатам научных исследований замораживания и сублимационной сушки в микробиологии появились в США в 1930-е годы.
В числе отечественных исследований данного направления наиболее значимыми являются работы A.M. Бражникова, Е.Е. Вишневского, А.С. Гинзбурга, А.А. Грязнова, Э.И. Гуйго, А.А. Гухмана, Н.К. Журавской, Э.И. Каухчешвили, А.В. Лыкова, Б.М. Париж, И.А. Рогова, Г.Б. Чижова. Дальнейшее изучение процесса, развитие основ теории и практическое использование сублимационной сушки получили в работах В.П. Агафонычева, И.Л. Аксельрода, СТ. Антипова, Л.А. Бантыш, А.А. Буйнова, А.З. Волынца, В.А. Воскобойникова, В.В. Илюхина, Б.П. Камовникова, В.А. Катюхина, О.Г. Комякова, В.Е. Куцаковой, Д.П. Лебедева, Б.М. Ляховицкого, ВТ. Поповского, К.П. Шумского, Э.Ф. Яушевой и других. Весомый вклад в развитие научных основ и практических аспектов метода сублимационной сушки, разработку принципов конструирования и создание промышленного оборудования внесли зарубежные ученые X. Айленбер, Л.Ф. Бертен, А.Л. Гарпер, Р.И. Гривз, Р.Ф. Дайер, К.Х. Кеслер, Д.К. Конрой, Л. Рэй, Г.И. Сандерленд, О. Сэндалл, Е.Е. Флосдорф, Р. Харис и многие другие.
При всех очевидных достоинствах сублимационной сушки недостатком её является довольно высокая энергоёмкость (2,2-2,8 кВт/кг удаленной влаги). Энергия расходуется на подвод теплоты к продукту, работу холодильных машин, вакуумных насосов и др. Сублимационные установки, являются сложными и дорогостоящими изделиями [96, 107, 160]. Процессы вакуумной сушки [9, 10, 23, 154, 178] при давлениях выше давления тройной точки воды и атмосферной сушки [172] менее энергоемки, также оборудование значительно дешевле, но эти способы консервирования не обеспечивают такой высокий уровень качества сухих продуктов, как сушка сублимационная, что неприемлемо для многих объектов прикладной биотехнологии. Работы по снижению энергозатрат на сублимационную сушку ведутся по многим направлениям. Это совершенствование конструкций сушильных устройств, использование рекуперативных теплообменников, оптимизация программ энергоподвода, создание специальных условий предварительного замораживания сырья и т.д. В этом перечне важнейшая роль отводится сокращению продолжительности процесса сушки. Здесь» также существуют десятки инженерных решений: изменение масштабного фактора, уплотнение (сминание) высохшей части слоя, регулирование глубины вакуума в камере и т.д.
Актуальность проблемы. Накопленный экспериментальный и аналитический материал позволяет на сегодняшний день достаточно четко характеризовать взаимовлияние всех факторов, от которых зависит интенсивность и длительность сушки. Однако, все рассмотренные в доступных литературных источниках аналитические описания процессов вакуумного обезвоживания не учитывают возникающих в реальных промышленных условиях особенностей контактирования объектов сушки с нагревателями, флуктуации теплофизических характеристик объектов сушки, отклонений толщины слоя от заданной (при розливе и замораживании), «вспучивание» замороженного материала в противнях из-за расширения и т.д. Длительности процесса обезвоживания, полученные на основе общепринятых аналитических зависимостей, значительно меньше реальных значений продолжительностей сушки, получаемых в условиях промышленного производства.
Например, расчетная длительность цикла обезвоживания» фруктового пюре в слое 10-12 мм в условиях кондуктивного теплоподвода составляет порядка 6-8 часов [145] .Одновременно, в условиях промышленного производства, продолжительность цикла: сушки составляет 8-12 часов. Камовниковым Б.П., Семеновым Г.В. и их сотрудниками в ходе-исследований; < направленных на совершенствование работы промышленного оборудования; были проведены численные оценки степени неравномерности влагоудаления в двух крупных сублимационных установках. Первая из них — установка ЄУ-3-периодического действия, с загрузкой» сырья до 1 тонны И' радиационным-энергоподводом, эксплуатировалась на Оршанском мясокомбинате. Вторая -установка фирмы «Эдварде» производительностью до 300 кг сырья/цикл сушки и кондуктивным энергоподводом, использовалась в городе Луге на заводе «Белкозин» для высушивания коллагеновых гемостатических материалов. Согласно результатам, проведённых экспериментов, в. обеих установках неравномерность длительности сушки по объему камеры составила ^ 20-25 % [72, 176].
Сложившаяся- ситуация- делает весьма актуальной задачу- изучения особенностей процесса сублимационного обезвоживания с использованием именно промышленного оборудования, учетом- и оценкой возникающих при этом комплексе неравномерностей: теплофизических характеристик объектов-сушки, геометрических характеристик сырья, условий замораживания; теплоподвода и др.
В соответствии с вышеизложенным, целью работы является: разработать эффективные методы- учета влияния характерных флуктуации- на тепломассообмен и длительность* процесса вакуумного сублимационного обезвоживания*в промышленных технологиях.
Научная новизна работы состоит в следующем: выполнена систематизация причин, приводящих к флуктуациям интенсивности вакуумного обезвоживания в разных участках по объему объекта сушки; предложена физическая модель процесса и ее аналитическое описание, учитывающие наиболее значимый фактор неравномерности при кондуктивном энергоподводе - условия контактирования объекта сушки и теплоподводящей поверхности; > выполнены численные оценки неравномерностей, порожденных условиями контактирования объекта сушки с греющей поверхностью, * теплофизическими характеристиками объектов сушки, возникновением «краевого эффекта»; > предложена математическая модель процесса, реализованная в программном комплексе Comsol Multiphysics, позволяющая провести численную оценку параметров процесса сублимационного обезвоживания, включая методику оценки влияния теплофизических параметров формирующегося по мере обезвоживания сухого каркаса.
Объектами исследования являются термолабильные продукты биологического происхождения.
Методы исследования: экспериментальные исследования по замораживанию и сублимационной сушке, математическая обработка полученных результатов, создание физической и на ее основе математической} моделей.
Достоверность научных положений обусловлена: > совпадением полученных результатов с устоявшимися взглядами и ' научными положениями ведущих специалистов в данной области; > применением современных методов планирования и проведения экспериментов, использованием аттестованных средств измерения и контроля, применением информационных технологий в обработке полученных результатов.
Практическую значимость, работы составляют следующие результаты: > предложен комплекс технических решений, направленный на снижение влияния факторов неравномерности процесса вакуумного обезвоживания и уменьшение длительности цикла-в целом; предложена методика расчета продолжительности сублимационного обезвоживания с учетом условий контактирования стеклянных емкостей с объектом сушки и греющей поверхностью; разработан, изготовлен и введен в эксплуатацию стенд для комплексного исследования тепломассообмена в процессах вакуумного обезвоживания при различных уровнях давлений в сушильной камере. Получен патент РФ №2357166 на «Устройство для вакуумной сушки термолабильных материалов»; экспериментально определены численные значения микронеровностей, имеющих место на поверхности донышек серийно
, выпускаемых флаконов и ампул, применяемых для сушки в прикладной биотехнологии; > получено положительное решение о выдаче патента на изобретение «Способ консервирования (сублимационной сушки) жидких и пастообразных биопрепаратов». Заявка № 2009127583/21(038372) от 20.07.2009 г.
Область применения результатов.
Развитие теории тепломассопереноса в процессах вакуумного обезвоживания;
Промышленное производство объектов прикладной биотехнологии, фармацевтических препаратов, БАДов и т.д., в производстве которых используется технология вакуумной сублимационной сушки как способ обеспечения длительных сроков хранения;
Использование полученных результатов для подготовки курсовых и дипломных проектов, формирования новых направлений научных исследований.
Реализация результатов.
Работа выполнена в рамках гранта РФФИ «Разработка инновационных энергосберегающих технологий; тепломассообмена в. процессах биотехнологической обработки термолабйльных материалов».
Результаты работы реализованы в виде законченных НИР- выполненных в рамках государственных НТП, хоздоговорных работ в период: с 2007 г. по настоящее время.
Список публикаций.
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:
Семенов Г.В: Современное оборудование для производства сублимированных, продуктов / Семенов F.B., Буданцев Е.В., Булкин М.С.// Пищевая промышленность. -М.: Пищевая промышленность. -№11. -2008. -С. 34-37.
Семенов Г.В. Тепломассообмен в промышленных процессах вакуумного сублимационного обезвоживания с учетом условий контактирования / Семенов F.B., Булкин М.С, Меламед Л.Э., Тропкина А.И. // Вестник Международной академии холода. - СПб.-М. - 2010. - Вып. 2. - С. 22-33.
Материалы конференций, семинаров:
Семенов F.B. Стенд для изучения процессов вакуумного обезвоживания термолабильных материалов / Семенов Г.В., Буданцев Е.В., Булкин М.С. // Материалы международной научно-практической конференции «Биотехнология. Вода и пищевые продукты». - М;: ЗАО Экспо-биохим-технологии, 2008. - С.329.
Булкин М.С. Особенности процесса сублимационной сушки в условиях промышленного производства / Булкин М:С, Буданцев Е.В. // Материалы 3-й международной . научно-практической конференции «Современные энергосберегающие технологии? (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2008». - М;: МГУПБ; 2008; - Том 2. - С. 122-123.
Погорелов М.С. Опыт использования инфракрасных источников энергоподводов с газовым обогревом в технологии сушки растительного сырья
I Погорелов M.C., Буданцев Е.В., Булкин М.С. // Материалы 3-й международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2008». - М.: МГУПБ, 2008. - Том 1. - С. 300-302.
Семенов Г.В. Стенд для изучения процессов вакуумной сушки термолабильных материалов в широком диапазоне давлений / Семенов Г.В., Глухман В.Н., Буданцев Е.В., Булкин М.С, Погорелов М.С. // Материалы 3-й международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2008». - М: МГУПБ, 2008. - Том 2. - С. 129-130.
Семенов Г.В. Применение информационных технологий для исследования процессов вакуумного обезвоживания термолабильных материалов / Семенов Г.В., Орешина М.Н., Буданцев Е.В., Булкин М.С. // Сборник трудов 7-й научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LABVIEW и технологии NATIONAL INSTRUMENTS -2008». - М.: РУДН, 2008. - С. 303-305.
Семенов Г.В. Современное оборудование для вакуумной сублимационной сушки термолабильных материалов / Семенов Г.В., Булкин М.С, Буданцев Е.В. // Материалы 7-й Международной научной конференции студентов и молодых учёных «Живые системы и безопасность населения». — М.: МГУПБ, 2008. - С 106-107.
Семенов Г.В. Экспериментальный стенд для исследования и отработки режимов вакуумной сушки термолабильных материалов / Семенов Г.В., Калмыков А.Л., Булкин М.С, Буданцев Е.В. // Материалы Международной научно-практической конференции «Олимпиада 2014: технологические и экологические аспекты производства продуктов здорового питания». -Краснодар: КНИИХП, КубГТУ, 2009. - С 269-270.
Семенов Г.В. Лабораторный комплекс для исследования технологий вакуумного обезвоживания / Семенов Г.В., Буданцев Е.В., Булкин М.С // Материалы III Международной научно-технической конференции, посвященной 80-летию ГОУВПО «Воронежская государственная технологическая академия». - Воронеж: ВГТА, 2009. - Том 2. - С. 177-179.
Семенов Г.В. Опыт применения программного обеспечения Comsol Multiphysics в изучении процессов, вакуумного обезвоживания / Семенов Г.В:, Булкин М.С., Буданцев Е.В. // Материалы международной научной конференции студентов и молодых ученых «Экологически безопасные ресурсосберегающие технологии и средства переработки сельскохозяйственного сырья и производства продуктов питания». - М.: МГУПБ, 2009. - С. 49-50.
Семенов Г.В. Расчетно-физический анализ и оптимизация процессов вакуумного обезвоживания термолабильных материалов / Семенов Г.В., Меламед Л.Э., Буданцев Е.В., Булкин М.С. // Материалы международной научной конференции студентов и молодых ученых «Экологически безопасные, ресурсосберегающие технологии и средства переработки сельскохозяйственного сырья и производства продуктов питания». — М.: МГУПБ, 2009. - С. 83-85.
Семенов Г.В. Вакуумное обезвоживание жидких и пастообразных материалов / Семенов Г.В., Буданцев Е.В., Булкин М.С, Зленко А.Л. // Труды международного научно-технического семинара «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов». - Воронеж: ВГЛТА, 2010. - С. 186-191. G.V.Semenov.Resource-efncient processes of vacuum dehydration of multicomponent thermolabile materials in applied biotechnology/ G.V.Semenov, M.S.Bulkin, E.V.Budantsev//Workshop of scientists of Russia and members of ASEAN «Application of modern biotechnologies in food industry». -Hanoi, Vietnam, 2010. -P. 145-155.
Патенты:
Патент РФ № 2357166 CI, F26B 5/06. Устройство для вакуумной сушки термолабильных материалов / Семенов Г.В., Шабетник Г.Д., Глухман В.Н., Буданцев Е.В., Булкин М.С. - Заявл. 19.12.2007. Опубл. 27.05.2009. Бюл.№15.
Положительное решение о выдаче патента РФ по заявке «Способ консервирования (сублимационной сушки) жидких и пастообразных биопрепаратов» №2009127583/21(038372) от 14.09.2010 / Семенов Г.В., Буданцев Е.В., Булкин М.С, Гатауллина Ю.Р.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены на 3- й Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие технологии (сушка и термовлажно стная обработка материалов) СЭТТ-2008» (Москва, 2008г), 7-й Международной научной конференции студентов и молодых учёных «Живые системы и безопасность населения» (Москва, 2008) и Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Экологически безопасные ресурсосберегающие технологии и средства переработки сельскохозяйственного сырья и производства продуктов питания» (Москва, 2009).
Сведения о промышленном внедрении результатов.
Численные оценки неравномерностей обезвоживания, а также предложенный комплекс мер, по их устранению, основанный на проведенных в диссертационной работе исследованиях получили применение при разработке и конструировании промышленных сублимационных установок проектной организацией «Научно-производственное объединение энергетических систем и приводов машин» г.Москва, а также реализованы на промышленном предприятии по производству сухих продуктов ООО "Сублимированные продукты ГАЛАКС" г.Волгоград, использующее установки с производительностью по сырью 300 кг за цикл сушки с кондуктивным теплоподводом к объекту сушки.
Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, четырех глав, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 188 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунков и 4 таблицы, 3 приложения. Список литературных источников включает 261 наименование, в том числе 58 работ зарубежных авторов.
Флуктуации, порожденные конструктивными особенностями сублимационных установок, недостатками и ошибками при их проектировании
Низкая паропроницаемость сушимого материала приводит к значительному повышению давления пара в образовавшемся отверстии (Рсуб2)- В результате пропорционально возрастает температура сублимации у дна отверстия (їф2)- В этих условиях общий перепад температур греющая поверхность - дно отверстия (tHaePCy62) становится меньше температурного напора между греющей поверхностью и плоскостью сублимации (tHaspCy6i)- Удельный тепловой поток к плоскости (Хо), соответствующей дну отверстий, уменьшается в сравнении с потоком тепла к плоскости (Хі). В итоге скорость продвижения плоскости (Хо) снижается, происходит самовыравнивание поверхности сублимации.
При сублимационной сушке материалов с высокой паропроницаемостью сухого слоя появление отдельных мелких отверстий не сопровождается заметным ростом давления паров и температуры сублимации у их дна. Происходит нарастание скорости продвижения плоскости (Хо), соответствующей нижней границе отверстий, т.е. начинается «зональная» сублимация. По данным [149], неустойчивость поверхности сублимации всегда имеет место при паропроницаемости высушенных слоев материала {д., равной 8-Ю"4 (кг/м Ч-мм. рт.ст.) и выше. По- результатам исследований. Семенова Г.В. [165], по сушке кисломолочных продуктов, овощных пюре, яичного меланжа в сплошном слое не наблюдалось повышение температуры сублимации по мере углубления фронта фазового перехода. Это свидетельствует о практически- неизменном, в? течение всего процесса сублимации давлении паров, проходящих1 через осушенную зону.
Таким образом, процессы сублимационного обезвоживания сплошного замороженного слоя большинства жидких пищевых продуктов, в соответствии с проанализированным выше критерием, характеризуются неустойчивостью плоскопараллельного углубления поверхности фазового перехода (при кондуктивном подводе теплоты через замороженную зону объекта сушки). Результатом такого развития процесса является различная длительность обезвоживания в каждом из противней в отдельности и увеличение продолжительности цикла сушки - во всей установке. Практика эксплуатации сублимационных установок в пищевой промышленности подтверждает эту закономерность.
Интересные исследования выполнены Б.П. Камовниковым в части анализа условий контактирования замороженного слоя высушиваемого материала с дном противня [74,75]. В работах описан механизм процесса возникновения у дна противня воздушных зазоров. Достаточно очевидным является факт неодинаковой адгезии замороженного материала и слоя металла. Происходит возникновение локальных воздушных включений в зоне контакта. Теплофизические характеристики замороженного материала в, целом и их локальные значения в зоне контакта неодинаковы. Для проведения оценки этих эффектов в модели Камовникова Б.П. сформулировано предположение, что при кондукции период постоянного энергоподвода при теплопередаче к фронту сублимации через замороженный материал возможен лишь при существовании особой контактной зоны, теплопроводность которой ниже, чем у замороженного сырья.
В момент г„ включения теплоподвода q в замороженной зоне возникает температурный градиент по нормали к дну противня. В полостях, образованных от пузырьков воздуха, возникают температурные перепады, вследствие чего происходит сублимация влаги из нижней поверхности полости с последующей её десублимацией на верхней поверхности. В результате полость постепенно заполняется водным льдом (г0 и гв; рис. 1.3), а прилегающая область материала обезвоживается. Образующееся «сухое пятно» мигрирует к дну противня против направления теплового потока д. При этом оно имеет тенденцию к увеличению горизонтального размера. Влагосодержание «сухого пятна» близко к критическому. Достигшие дна противня «сухие пятна» образуют контактную зону. Вполне очевидно, что чем больше температурный напор, тем интенсивнее движение «сухих пятен» к дну противня и тем быстрее процесс развития контактной зоны. В начале сушки толщина контактной зоны равна нулю, затем она увеличивается со временем.
В рамках данной физической модели приняты следующие допущения: 1) материал, подвергаемый сушке, - изотропное тело; 2) обезвоженная зона не оказывает сопротивления переносу пара; 3) в первом периоде сушки поглощение внешней энергии имеет объёмный характер (дЛс=дЛн=0) на глубине hi; (рис. 1.2) 4) в первом периоде слой hi объёмного поглощения энергии обезвоживается от начального ш до конечного ш значения влагосодержания; 5) во втором периоде внешняя энергия поглощается свободной поверхностью объекта сушки, а к фронту сублимации передаётся кондукцией через обезвоженную зону материала (gv=gAH=0); 6) в течение второго периода в обезвоженной зоне температурный профиль имеет линейный характер; 7) в момент прохождения фронтом сублимации произвольного периферийного слоя материала его влагосодержание изменяется от начального ш до критического икр; 8) в третьем периоде сушки происходит десорбция невымороженной из зоны (h-hi) влаги при постоянном кондуктивном энергоподводе (длс—дкн—О) через обезвоженную зону материала; влагосодержание этой зоны изменяется от критического икр до конечного ш; 9) краевые эффекты отсутствуют; 10) задача решается в квазистационарном приближении.
Определение продолжительности цикла сублимационного обезвоживания при кондуктивном энергоподводе с учётом условий контактирования
Флуктуации теплофизических свойств реальных объектов сушки приводит к формированию различной кристаллической структуры замороженного материала. Следствием этого являются существенно различные размеры капилляров, открывающихся по мере обезвоживания и, как следствие, различная массопроводность осушенной зоны.
Размеры, форма, а также взаимное расположение кристаллов льда при прочих равных условиях зависят от скорости кристаллизации 1191]. Как правило, быстро замороженные продукты сохнут медленнее [ПО], но имеют более высокий уровень сохранности исходных свойств [63, 64, 145, 148], чем замороженные медленно. Максимальное сохранение исходных свойств большинства пищевых продуктов достигается при быстром замораживании в условиях низких температур. Быстрое замораживание создаёт мелкокристаллическую структуру льда. Перераспределение влаги в замороженном объекте незначительно, поскольку скорость образования кристаллов превышает скорость диффузного перемещения веществ.
Образовавшиеся при медленном замораживании в межклеточном пространстве крупные одиночные кристаллы разрушают гистологическую структуру продукта, но при сушке выступают в качестве мостиков для более интенсивного передачи теплоты и образуют большие поры, способствующие более быстрой последующей регидратации. При медленном замораживании может возникнуть диффузионное перемещение веществ вследствие возникающей разности их концентраций, обусловленной выделением части воды в виде льда в зонах с отрицательной температурой. Для жидких и пастообразных биообъектов допустимо как быстрое, так и медленное замораживание, поскольку в них сохранение исходной структуры не требуется.
При сверхбыстром замораживании (погружением в жидкий азот) 90% всех кристаллов льда формируется внутри клеток, размеры кристаллов очень малы — порядка сотен ангстрем, повреждения ткани минимальны. Однако необходимо иметь в виду, что при замораживании в жидком азоте методом погружения кусковых биообъектов в них почти всегда наблюдаются разрывы, трещины вследствие возникающих термических напряжений [172].
На стадии самозамораживания могут значительно меняться физико-химические и структурные свойства продукта. Так, В.Г. Поповский [145,146] отмечает, что при самозамораживании земляники, персиков; слив и др. происходит деформация плодов, отделение кожицы от мякоти и, как следствие, зачастую происходит увеличение продолжительности сушки.
. Стоит отметить, что создавая различные условия отвода теплоты от замораживаемого объекта, можно влиять не только на форму и размер кристаллов льда, но и на их пространственную ориентацию. То есть осуществлять структурирование продуктов сублимационной, сушки на стадии-их замораживания. Известен способ осуществления управляемого замораживания [3]. Продукт слоем 5-10 мм замораживается при интенсивном, теплоотводе, что позволяет достигнуть роста больших кристаллов, преимущественно вертикально ориентированных, пронизывающих по толщине слой. Такие кристаллы обеспечивают высокую массопроводность осушенной-зоны, что значительно ускоряет процесс влагоудаления.
Применительно к препарату из концентрированных белков молока, рассматриваемому в качестве одного из объектов сушки в рамках нашей работы, наилучшие результаты (наименьшая продолжительность обезвоживания) получены нами в экспериментах, при которых замораживание смеси в слое толщиной 10±2 мм осуществлялось в условиях кондуктивного теплоотвода - емкости с замораживаемым материалом контактировали непосредственно с предварительно охлажденными до температуры -40С металлическими плитами (полками сублимационной установки).
- Нами предложен способ- замораживания биопрепарата перед сушкой, позволяющий интенсифицировать процесс обезвоживания,- посредством создания благоприятных условий передачи теплоты преимущественно по вертикальным кристаллам льда, обладающим высокой теплопроводностью. Качество сухого продукта при таких условиях выше (полная и быстрая способность смачивания, высокая степень регидратации, исключение недосушенных зон - "линз") за счет вертикально-ориентированных .каналов в толще объекта сушки в результате сублимации влаги из разветвленных вертикально-ориентированных кристаллов льда и образования крупных каналов-пустот. Указанная задача решается, в предложенном способе следующим образом. Предварительно заготовленные емкости с биопрепаратом помещают в среду с низкой температурой замораживания на противне, с учетом того, что толщина слоя низкотемпературной среды в противне должна как минимум вдвое превышать толщину замораживаемого биопрепарата в емкости. Это является основным условием аккумулирования достаточного количества холода низкотемпературной жидкостью для последующего замораживания. Кроме того, регулирование условий замораживания осуществляется посредством варьирования концентрации низкотемпературной среды. В качестве низкотемпературной среды предусматривается использование водно-солевых растворов с различной концентрацией соли. Последующее проведение стадии замораживания объекта сушки в условиях низкотемпературной среды обеспечивает отвод теплоты главным образом от дна емкости, тем самым стимулируя рост вертикально ориентированных кристаллов льда. Сохранение развитой капиллярно-пористой структуры в высушенном биопрепарате позволяет достичь при регидратации равномерного и полного обводнения, что например, принципиально важно для фармпрепаратов.
Сравнительные расчеты на основе разработанной математической модели
Влияние формы тела на тепло- и массообмен при сублимации в условиях вакуума, исследованы в [106]. Большое значение-имеет способ подготовки и укладки продукта перед сушкой. Необходим максимальный контакт между частицами, продукта. Отмеченных выше недостатков, связанных с неравномерностью толщины слоя во многом лишён такой способ подготовки сырья к сушке, как замораживание в форме отдельных частиц (гранул). В работах Семенова Г.В. и Камовникова Б.П. и др. [75, 158, 162, 163, 165, 169, 175] подробно описана сушка в гранулах. Авторами утверждается, что с уменьшением размера частиц первоначально дисперсный материал приобретает свойства монолитного слоя, что приводит к сокращению длительности процесса.
Поскольку структура жидких и пастообразных материалов позволяет различными способами формировать из них мелкие частицы с определяющим размером от долей до нескольких миллиметров, создаются предпосылки для интенсивного замораживания этих частиц - гранул. Процессы замораживания материалов в виде гранул (например, в криогенных жидкостях) обычно характеризуются высокой интенсивностью, и, как показано в [1,50], при этом не наблюдается ухудшения качественных показателей. Интенсивное замораживание биообъектов по общему признанию очень перспективный процесс [147, 149, 252].
Этот метод позволяет использовать высокопроизводительное, малогабаритное оборудование. Например, грануляторы типа ГЧЛ. Сопоставляя замораживание слоя жидкого сырья в скороморозильном аппарате при конвективном отводе тепла с намораживанием на охлаждаемой поверхности можно считать, что интенсивность этих двух процессов пропорциональна1 значениямікозффициентов теплоотдачи от хладоносителя к объекту. 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 напряжённый тепловой режим. Следовательно, возможность возникновения брака продукта (перегрев, пережёг) наиболее вероятна именно в таких зонах. Появление быстро развивающейся зоны сублимации в местах наибольшей концентрации теплоты в материале принято называть «краевым эффектом», а эту зону - «краевой зоной» сублимации. «Краевые эффекты» почти всегда присутствуют при вакуумной сублимационной сушке.
Развитие «краевого эффекта». Методы борьбы с «краевым эффектом» решались в рамках исследований, проводимых под руководством Э.И. Каухчешвили [85]. Также большое внимание этому явлению уделено в работах Камовникова Б.П [74, 75], а также многих других специалистов-практиков. Проведённые Камовниковым Б .1 и Яушевой Э.Ф.1 [203] исследования, показали, что для реальных условий сублимационной сушки при толщине замороженного сырья h 20+30 мм, а толщине стенки противня 8=2+3 мм необходим учёт краевых зон Хкв (рис. 1.2-А) материала, непосредственно-примыкающих к вертикальным стенкам противня. Отверстия в материале, расположенном в краевой зоне, получают дополнительную энергию от стенок противня, поэтому скорость роста размера Xj — Хкв выше, чем X] — Хо. Когда отверстия в краевой зоне достигают дна противня (Zhe=h), в придонной области материала второй фронт сублимации Х2, который начинает движение навстречу первому фронту X]. В момент возникновения Х2 уменьшается или даже исчезает градиент температуры в замороженной зоне, так как весь тепловой поток qm от дна противня расходуется на фазовый переход в зоне Х2. Вследствие этого кондуктивный поток qx» через замороженный слой становится равным нулю, а движение поверхностей Х0 и X] вниз прекращается. В этот период сушки скорость обезвоживания очень мала, так как кондуктивный поток теплоты qfoi к фронту Х2 передаётся через сухой слой, теплопроводность которого почти на два порядка ниже, чем у замороженного слоя. «Краевой эффект» — явление крайне нежелательное, так как он значительно увеличивает длительность сушки (до 40% общего времени, а иногда и более). Влияние краевого эффекта ещё более возрастает в условиях кондуктивно - радиационного энергоподвода (рис 1.2-Б), так как стенки противня в этом случае нагреваются уже с двух сторон.
С целью использования «краевого эффекта» для ускорения процесса сублимационного обезвоживания, продукты обычно подвергают различной степени диспергирования. В этом случае развитая поверхность продукта предопределяет возрастание «краевых эффектов» с самого начала сушки, что способствует возрастанию интенсивности процесса. Сушку целесообразно осуществлять в оребренных противнях [138, 165].
Г.В. Семеновым [165] были разработаны методы расчета оптимальных параметров конструкции оребренных противней (высота ребра 0,21 м, толщина ребра 0,004 м). В то же время автором отмечается, что противень с оптимальной высотой ребер обладает значительной металлоемкостью. Вес одного противня5 с продуктом составляет 90...100 кг на 1 кв. м площади основания. Поэтому автором были рекомендованы противни с высотой ребра 0,1 м.
С целью устранения «краевых эффектов» при сушке- на противнях Антиповым А.В. [12] предложено рассмотреть вариант конструкции системы противень-нагреватель, в которой борта противня выведены из зоны действия нагревателя, также автором предложена методика расчета величины компенсирующего размера (расстояния от борта противня до нагревателя).
Исследование влияния условий контактирования в реальном цикле обезвоживания термолабильных биообъектов
В реальных условиях возможно образование зазоров в придонной области вследствие низкой адгезии замороженного материала к теплоподводящей поверхности или интенсивного энергоподвода.
В работе Волынца А.З [30] рассмотрен процесс образования зазора между теплоподводящей поверхностью (внутренней частью ёмкости) и высушиваемым материалом. Теоретические преимущества процесса сублимационного обезвоживания при подводе энергии через замороженный слой очевидны — они обусловлены тем, что теплопроводность последнего в 20-100 раз превышает теплопроводность сухого материала. Однако на практике между материалом и теплоподводящей- поверхностью образуется зазор, который обладает высоким термическим сопротивлением. Предполагается что образование зазора вызывается термическими деформациями. Сначала были определены коэффициенты термической деформации реальных многокомпонентных материалов биологического происхождения. Затем на основе полученных результатов была решена задача о термическом сопротивлении зазора и была установлена интенсивность сублимации.
При рассмотрении задачи об условиях нарушения контакта замороженного материала со стенкой сосуда было принято, что материал сосуда и замороженный материал являются упругими, т.е. модули упругости остаются неизменными во всём объёме материала в течение процесса. Также было отмечено, что материал с большим влагосодержанием не является абсолютно упругим телом. Его поведение весьма схоже со льдом, при деформации которого происходит рассеивание энергии, связанное с внутренним трением. В процессе сублимационного обезвоживания температурный градиент определяет условия-контакта материала со стенкой.
Коэффициент термической деформации отрицателен и замороженный материал испытывает растягивающие напряжения, что является следствием противодействия стенок стремлению материала оторваться от них из-за уменьшения его объёма. В конечном счёте, это приводит к нарушению контакта и образованию зазора.
Тот факт, что знак коэффициента термической деформации замороженного материала, в зависимости от его температуры и количества вымороженной в нём влаги, может измениться на обратный, привёл к идее регулировать давление в аппарате для изменения температуры материала и его коэффициента термической деформации. Задача заключается в поддержании такого давления, при котором коэффициент термической деформации, будучи положительным, незначительно отличается от коэффициента объёмного расширения внутренней поверхности емкости. В этом случае термические напряжения в замороженном материале на границе раздела направлены в сторону теплоподводящей поверхности, и по величине не превосходят допустимые значения. А.З. Волынцом были экспериментально определены зависимости коэффициента термической деформации от температуры для различных продуктов. Положительные значения коэффициента термической деформации характерны для-области низких температур и соответствующих давлений. Так, например, для молока рассматриваемые условия имеют место в области давлений, ограниченной5 сверху значением Р=40 Па (Г=243 К), для-яблочного-сока - Р=13г Па (Г=233 К), для» виноградного сока - Р=4 Па (Г=223 К). Фактически сублимационное обезвоживание производится прибавлении: для» молока 7 133 Па (7 256 К), для яблочного сока - Р 50 Па (7 248 К), для виноградного сока - Р 20 Па (7 235 К). Столь сильное понижение давления в камере при неизменной интенсивности процесса должно иметь своим следствием возрастание удельных приведённых затрат, приблизительно на 25%., Компенсация такого возрастания приведённых затрат могла бы быть достигнута только посредством интенсификации процесса сублимационного обезвоживания по меньшей мере в 2 раза. Рассмотренный способ поддержания контакта целесообразен, когда процесс сублимационного обезвоживания необходимо вести при пониженных давлениях. Таким образом, было установлено, что в общем случае в условиях, характерных для сублимационного обезвоживания, осуществить плотный контакт материала с теплоподводящей поверхностью (внутренней частью емкости) не представляется возможным. Поэтому при выборе режимных параметров процесса необходимо учитывать наличие зазора, заполненного разреженным газом.
Тепловое сопротивление этого зазора играет существенную роль. Для определения этого сопротивления необходимо: 1) выяснить каким числам. Кнудсена соответствует состояние газа в зазоре — ответ на этот вопрос позволяет непосредственно определить режим переноса в зазоре и вычислить коэффициент теплопроводности разреженных газов в нём. 2) Количественно, оценить продольный поток массы вещества в зазоре, так как его величиной определяется развитие процесса сублимационного обезвоживания. В случае, когда продольный поток практические отсутствует, сухой слой- будет образовываться-; наї наружной поверхности материала: и перемещаться? в сторону теплоподводящеи; поверхности. Прш наличии продольного потока необходимо? учитывать, появление: и непрерывный рост сухого; слоят- со стороны, теплоподводящеи поверхности. 3)v Установить характер изменения в течение процесса5 температуры поверхности материала, примыкающей к теплоподводящеи поверхности. Ответ на этот вопрос позволяет определить изменение термического сопротивления зазора. Величина зазора зависит от: формы сосуда и качества, его внутренней поверхности, материала сосуда, способа замораживания и т.д... За исключением случая? использования; самых крупных сосудов и поддержания- давления в аппарате на максимально возможном уровне, числа Кнудсена много больше единицы, а в зазоре имеет место молекулярный.режим переноса теплоты и массы.
