 |
Анализ процессов тепломассообмена при сушке пищевых материалов
|
|
|
|
Процессы тепломассопереноса особенно интенсивно проходят в процессе сушки пищевых продуктов.
Сушка относится к сложным технологическим процессам и зависит от большого числа факторов, однако во всех случаях при сушке в виде пара или жидкости удаляется влага.
Влажные материалы разделяются на следующие группы:
- растворы кристаллоидов;
- коллоидные растворы;
- кристаллические тела, содержащие влагу (сахар, соль и др.);
- коллоидно-дисперсные системы.
Коллоидные тела по Лыкову А.В. делятся в свою очередь на три группы:
- эластичные гели (желатин, агар-агар, прессованное мучное тесто и др.);
- хрупкие гели (древесный уголь, керамические материалы и др.);
- коллоидные капиллярно-пористые тела (торф, древесина, зерно, хлеб, фрукты и овощи и пр.).
Чтобы выбрать наиболее эффективный и энергосберегающий способ процесса высушивания тех или иных материалов, нужно знать в первую очередь ответ на вопрос – каким образом связана влага с высушиваемым материалом? В предыдущих разделах при характеристике дисперсных систем мы рассматривали формы и виды связи влаги. Сейчас этот вопрос мы рассмотрим с инженерных позиций и более подробно:
- химическая связь влаги в материале – две формы: ионная связь или молекулярная;
- физико-химическая связь – адсорбционная, структурная, осмотическая;
- механическая связь – три формы: влага в микрокапиллярах, влага в капиллярах и порах, влага смачивания.
Из этих видов связей наиболее прочной является химическая связь. Для разрушения этой связи помимо обычной сушки требуется прокаливание материала или проведение определенных химических реакций.
Адсорбционно-связанная влага, исходя из понятия адсорбции, удерживается молекулярно силовым полем на поверхности раздела коллоидных частиц с внешней средой. Эта влага прочно связана с коллоидными частицами материала, и эта связь сопровождается при образовании выделением тепла (тепло гидратации)
|
|
|
Структурная влага – это влага, попадающая внутрь клеток растительных тканей. Данный вид влаги, как и осмотически удерживаемой и находящейся первоначально внутри клеток, характеризуется тем, что при присоединении ее к материалу не выделяется тепло. Эти виды влаги связаны с материалом менее прочно, чем адсорбционная влага.
Механически связанная влага находится в капиллярах тела и на их поверхности. Капилляры различных тел имеют значительный разброс по диаметрам. Средний радиус микрокапилляров составляет 10-5 см.
Влага, находящаяся на поверхности тела, называется влагой смачивания и, как и влага макропор, имеет довольно непрочную связь с материалом, в котором она находится.
Распределение влаги на поверхности и в объеме материала неравномерно, поэтому учитывают среднюю концентрацию влаги или концентрацию в данной точке
Принципиальная схема процесса сушки, приведенная в [42], выглядит следующим образом (рис. 6.3).
Рис. 6.3 Схема процесса сушки
Влагосодержанием тела 
называется отношение массы влаги 
, содержащейся в теле, к массе сухого тела, т.е. 
.
Влажность тела выражается как 
Влажный воздух, являющийся сушильным агентом и представляющий собой смесь сухого воздуха с паром, характеризуется набором показателей, таких как барометрическое давление, парциальное давление водяного пара, абсолютной и относительной влажностью, влагосодержанием, энтальпией или теплосодержанием и др. [11].
Абсолютная влажность определяется количеством водяного пара в 1 м3 влажного воздуха, (кг/м3). Относительная влажность определяет влагоемкость сушильного агента, т.е. способность воздуха к насыщению парами влаги. Разность между температурой воздуха и температурой мокрого термометра (потенциал сушки) характеризует способность воздуха поглощать влагу их материала, 
, где 
- соответственно температура воздуха или обычного сухого термометра и температура мокрого термометра. Температура мокрого термометра характеризует способность воздуха отдавать теплоту для испарения влаги до полного насыщения ею воздуха. Испарение влаги из продукта (десорбция) возможно при парциальном давлении пара над поверхностью продукта, превышающем его парциальное давление в воздухе, т.е. когда 
. При 
будет наблюдаться поглощение пара из окружающего воздуха (сорбция).
|
|
|
В процессе сушки влажность стремится к состоянию равновесия с окружающей средой, поэтому 
и 
. Данные зависимости описывают динамику сушки и нагрева тела.
В результате взаимодействия влажного воздуха с материалом влага будет проникать в материал и наступит момент равновесия, когда переход влаги прекратится. При этом моменте влажность материала называется равновесной влажностью.
Практикой установлено [42], что для многих материалов равновесная влажность не зависит от температуры, а зависит от относительной влажности воздуха.
В табл. 6.1. приведены значения равновесной влажности для некоторых продуктов [42].
Таблица 6.1.Значения равновесной влажности для различных пищевых продуктов в
зависимости от относительной влажности воздуха
| Вид продукта | Относительная влажность воздуха, % | ||||||||
| Мука Хлеб пшеничный Макаронные изделия Печенье Крахмал Яблоки Рожь Пшеница Овес | 2.2 1,0 5,0 2,1 2,2 - 6,0 - 4,6 | 3,9 2,0 7,1 2,8 3,8 - 8,4 - 7,0 | 5,05 3,1 8,75 3,3 5,2 5,0 9,5 9,3 8,6 | 6,9 4,6 10,6 3,5 5,2 - 12,0 - 10,0 | 8,5 6,5 12,2 5,0 7,4 11,0 12,5 - 11,6 | 10,08 8,5 13,75 6,5 8,3 18,0 14,0 13,0 13,6 | 12,6 11,4 16,6 8,3 9,2 25,0 16,0 - 15,0 | 15,8 13,9 18,85 10,9 10,6 40,0 19,5 - 18,0 | 19,0 18,9 22,4 14,9 12,7 60,0 26,0 24,0 22,5 |
Очевидно, что с помощью воздуха с определенной его влажностью невозможно удалить всю влагу из высушиваемого материала. Удаляемая влага 
, где 
- влажность материала, 
- равновесная влажность
Кинетика процесса сушки. При конвективной сушке влага перемещается от центра материала к периферии, где поверхность его омывается сушильным агентом. Миграция влаги осуществляется в основном диффузионным путем, движущей силой которого является разность между концентрациями влаги в разных точках материала. При этом на процесс перемещения влаги большое влияние оказывает тепловое воздействие на материал.
|
|
|
Основное уравнение влагоперемещения 
, где 
- количество влаги, переместившееся через поверхность 
за время 
при градиенте концентрации 
.
Перемещение влаги в материале может быть в виде жидкости и (или) в виде пара, что определяется характером связи влаги и свойствами самого материала. Так, осмотически связанная влага будет мигрировать через стенки клетки в виде жидкости, а адсорбционно-связанная влага будет перемещаться в виде пара. Чем больше влагосодержание материала, тем в большей степени преобладает миграция влаги в виде жидкости. Экспериментально установлено, что под влиянием температурного градиента от действия термодиффузии, уменьшения поверхностного натяжения или расширения воздуха в капиллярах, влага перемещается в материале по направлению потока тепла.
Общее количество влаги, перемещаемое под действием температурного градиента, выражается уравнением 
.
Суммарное количество влаги, перемещаемое при наличии обоих градиентов равно разности 
, поскольку тепловой поток направлен от периферии к центру тела, а поток влаги имеет противоположное направление.
Изменение во времени средних по объему тела влагосодержаний 
и температур 
характеризует кинетику процессов сушки и нагрева, 
.
Интенсивность сушки определяется скоростью сушки 
, которая по мере приближения к состоянию равновесия стремится к нулю.
На процесс сушки наиболее сильное влияние оказывает внутренняя структура материала. Например, для дисперсных материалов с частицами более 2 мм и критическим радиусом пор менее 2 нм длительность конвективной сушки составляет более одного часа, а с критическим радиусом пор более 100 нм – 0,5…3с [24].
|
|
|
На рис. 6.4 приведены характерные зависимости кривых сушки от температуры и влажности теплоносителя, 
.
Рис.6.4.Характер зависимости кинетики кривой сушки 
от температуры (а) и влажности (б) теплоносителя
Интенсивность процесса сушки достигается увеличением температуры и скорости теплоносителя, уменьшением его начальной влажности дроблением, прессованием, применением энергетических полей и т.п.
С физических позиций процесс сушки включает три операции:
- перемещение влаги внутри материала к его поверхности;
- парообразование;
- перемещение пара от поверхности материала в окружающую среду.
Последняя операция характеризуется следующими явлениями: на поверхности тела образуется воздушно-паровой слой, находящийся в равновесии с влагой материала. Движущей силой движения влаги из поверхностной пленки в окружающую среду является разность парциальных давлений водяного пара в пограничном слое и окружающей среде. Количество продиффундировавшего пара будет равно 
, где 
- коэффициент испарения, 
- парциальное давление водяного пара в пограничном слое и окружающей среде соответственно, 
- поверхность испарения.
Количество влаги, прошедшее через пограничный слой, равно количеству влаги, которая подошла из глубин материала, что собственно и определяет скорость сушки.
Кривая сушки строится в координатах «влажность материала - время». На рис. 6.5. приведена теоретическая кривая сушки коллоидного капиллярно-пористого тела.
Рис. 6.5.Характерная кривая сушки капиллярно-пористого тела
- период постоянной скорости сушки, 
- период падающей скорости, 
-
-критическая точка, 
- критическая влажность, - равновесная влажность, 
- период прогрева тела
В первый период сушки происходит удаление свободной влаги (влаги микрокапилляров и влаги смачивания). В этот период давление пара над материалом равно давлению пара чистой испаряющейся жидкости. Во втором периоде происходит удаление связанной влаги.
|
|
|
