На нашем интернет портале море информации по пищевой
и перерабатывающей промышленности, АПК и пищевой тематике
» » Теплофизические основы сублимационной сушки под разрежением

Теплофизические основы сублимационной сушки под разрежением

Метод сублимационной сушки влагосодержащих материалов отличается от традиционных способов тем, что в процессе сушки влага переходит в пар из замороженного состояния. Вследствие этого сублимированные продукты резко отличаются от продуктов, консервированных другими методами: они сохраняют цвет, вкус, первоначальный объем, легко поглощают при восстановлении влагу; в значительной степени остаются неизменными и летучие компоненты. Высушенные продукты длительное время могут храниться в помещениях с нерегулируемой температурой.

Если охарактеризовать состояние воды на диаграмме «температура — давление», то при некоторых условиях можно наблюдать сосуществование одновременно трех фаз (рис. 1). Параметрами этого состояния, получившего название тройной точки, являются температура 0,098° С и парциальное давление водяных паров 613,2 Па. Пограничные кривые делят диаграмму на три области, в которых вода может находиться в виде жидкости, твердого тела (льда) или пара. Процесс сублимационной сушки характеризуется фазовым переходом льда в пар при значениях давления и температуры, лежащих ниже тройной точки.

Из анализа экспериментальных данных зависимости р3 = f(t3) для реальных пищевых продуктов (рис. 2) можно видеть, что термические свойства замороженных пищевых продуктов отличаются от свойств чистого льда.

Уменьшение давления пара над продуктом обусловлено тем, что растворенные в воде вещества обладают способностью связывать воду, и при этом значительно уменьшается количество воды, способной кристаллизоваться, т. е. вымораживаться.

Рис. 1. Диаграмма фазового состояния чистой воды.

Рис. 1. Диаграмма фазового состояния чистой воды.

 

Исследования Д. И. Озирной показали, что существует общая закономерность изменения кривых вымораживания в зависимости от начальной влажности. Необходимо отметить, что
полного вымораживания влаги в продукте достичь не удается. Небольшое количество ее не вымерзает даже при очень низких температурах; для пищевых продуктов эта величина колеблется в пределах 0,2—0,39 г на 1 г сухого вещества.

При проведении сублимационной сушки в условиях разрежения важно знать количество воды, перешедшей в пар из замороженного состояния, так как это в значительной степени определяет качественные показатели готового продукта.

Принципиальная схема вакуум - сублимационного процесса ясна из рис. 3. Предварительно замороженный продукт помещается на сетку между нагревательными плитами. После вакуумирования установки от нагревательных плит к продукту подается энергия в количестве, необходимом для сублимации льда. Пар перемещается от продукта к охлаждаемой поверхности конденсатора, конденсируется и частично отводится вместе с неконденсируемыми газами вакуум-насосом.

Рис. 2. Зависимость давления насыщенных паров воды от температуры для реальных продуктов

Рис. 2. Зависимость давления насыщенных паров воды от температуры для реальных продуктов:

1 — чистый лед; 2 — суп овощной; 3 — борщ пюреобразный с мясом.

Для обеспечения нормального протекания процесса в такой системе необходимо создать перепад давлений водяного пара между сублиматором и конденсатором.

Рис. 3. Принципиальная схема вакуум-сублимационной сушки:

Рис. 3. Принципиальная схема вакуум-сублимационной сушки: 1 — сублиматор; 2 — генератор тепловой энергии; 3 — продукт; 4 — сетка; 5 — конденсатор; 6 — патрубок для спуска конденсата; 7 — вакуум-насос.


 

Интенсивность процесса сублимационной сушки будет зависеть не только от количества энергии, подведенной к поверхности испарения, и сопротивления потоку паров, но и от тепло- физических характеристик продукта.

Изменение параметров в процессе сублимационной сушки пищевых продуктов было исследовано на установке «Марк-1а» фирмы «Атлас». Температура поверхности продукта поддерживается на уровне 65° С, давление в установке в течение всего процесса колеблется от 150 до 50 Па, причем парциальное давление водяных паров изменяется в пределах от 75 до 5 Па. Продолжительность обезвоживания различных продуктов с начальной влажностью 75—85% колеблется от 6,5 до 9 ч.

Подведение тепловой энергии к продукту может осуществляться различными методами: теплопроводностью, излучением, нагреванием в поле высокой частоты, инертными газами, а в некоторых случаях целесообразно комбинирование различных методов. Механизм процесса переноса энергии, массы и количества движения изучен еще недостаточно. В условиях сушки замороженных материалов в вакууме имеет место изменение плотности парогазовой смеси, резкое возрастание объема пара и его кинематической вязкости, осложняющие гидродинамическую картину переноса массы и энергии. Изменение свойств объекта и среды сопровождается также образованием сухой зоны в продукте, оказывающей в дальнейшем существенное влияние на внутренние и внешние процессы переноса

Расчеты показывают, что диффузионный поток составляет примерно одну шестую, а сумма потоков, вызванных действием механического насоса и термодиффузией, — семидесятую часть от действительного потока массы водяного пара.

Значительное несоответствие расчетных и экспериментальных данных объясняется резким увеличением объема пара при фазовом превращении, выделением защемленных в продукте неконденсирующихся газов, увеличением поверхности испарения за счет отрыва комплексов молекул и др.

В соответствии с гипотезой А. В. Лыкова при сублимации вещества происходит явление, аналогичное взрыву с образованием квазиударной волны, в зоне которой происходит конденсация пара с образованием частиц льда. Интенсивность процесса обусловлена движением молекулярных волн разрежения при наличии источника вещества.

А. А. Гухманом и Г. А. Ермаковой предложена гипотеза струйного тепло- и массообмена при сублимации льда. Испарение льда в виде струй, вырывающихся из дискретно расположенных центров и эжектирующих рабочую среду, вызывает интенсивное перемешивание парогазовой смеси.

В дальнейшем основы теории, техники и технологии развивались советскими учеными Э. И. Гуйго, Э. И. Каухчешвили, А. С. Гинзбургом, Н. К. Журавской, В. Г. Поповским и др.

  • Похожие материалы