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.

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:

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: 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.