Теоретические сведения

Исследовать процесс кинетики сушки на примере виртуального

Сушильного аппарата.

Теоретические сведения

Кинетика процесса сушки. Для простоты рассуждений будем считать, что при сушке влага перемещается от центра продукта к его периферии. Подобное перемещение, или миграция, влаги представляет собой диффузионный процесс, движущей силой которого является разность концентрации влаги.

Количество мигрирующей влаги под действием разности ее концентраций (W_c) можно рассчитать по уравнению Фика, имеющему в данном случае следующий вид:

W_c= ‑K_B(dC/dn)Sτ, (1)

где K_b ‑ коэффициент влагопроводности, м²/с; S ‑ поверхность контакта продукта с источником теплоты, м²; dC/dn ‑ градиент концентрации влаги в продукте, кг/м⁴; τ ‑ продолжительность процесса, с.

Миграция влаги внутри продукта происходит также под действием температурного градиента. Уравнение, с помощью которого можно определить количество влаги, перемещаемой за счет действия этого фактора (W_t), имеет следующий вид:

W_t = ‑ K_t(dt/dn)Sτ, (2)

где K_t ‑ коэффициент термовлагопроводности, кг/(м•Кс); dt/dn ‑ градиент температур, К/м.

При этом надо иметь в виду, что перемещение влаги под тепловым воздействием имеет направление теплового потока. Это означает, что если нагрев продукта осуществляется с его поверхности, то влага в силу температурного градиента перемещается от периферии к центру. Таким образом, суммарное количество перемещаемой влаги при наличии разности ее концентраций и температурного градиента будет равно

W_o6 = W_c ‑ W_t, (3)

где W_об ‑ общее количество диффундируемой влаги, кг.

Для того чтобы уменьшить эффект термовлагопроводности, продукт при сушке необходимо по возможности измельчать.

Этапы и периоды протекания процесса. Процесс сушки продукта состоит из трех этапов: перемещение влаги внутри высушиваемого объекта по направлению к его поверхности; парообразование; перемещение пара от поверхности материала в окружающую среду.

Наглядно представить кинетику процесса сушки и скорость его протекания позволяют кривые сушки и скорости сушки. Для их построения используют экспериментальные и аналитические данные. На этих кривых выделяют два основных периода сушки, которые имеют несколько другой смысл, чем этапы сушки. Кривая сушки строится в координатах W и τ (влажность материала и продолжительность процесса).

В начале процесса, т.е. в период, когда ведется подогрев продукта, линия сушки (изменение влажности продукта) имеет характер кривой (рис. 1). На этой стадии удаляется лишь незначительная часть влаги. Затем начинается так называемый период постоянной скорости сушки (I период). В этот период линия сушки представляет собой прямую. В период постоянной скорости сушки происходит удаление свободной влаги, при этом давление пара под материалом равно давлению пара чистой жидкости, испаряющейся при тех же условиях. Количество влаги, поступающей из внутренних слоев, полностью преобразуется в пар и удаляется с поверхности материала. Период постоянной скорости сушки длится доточки К₁, показывающей критическую влажность. По достижении точки К₁ наступает второй период сушки. Этот II период является периодом падающей скорости сушки и отражается на графике в виде кривой линии.

Форма линии сушки зависит от вида связи влаги с материалом, структуры материала, т.е. от условий перемещения (миграции) влаги внутри продукта.

Заканчивается кривая сушки во второй критической точке К_р, соответствующей равновесной влажности материала. Во второй период сушки к поверхности материала поступает меньше влаги, чем могло бы с нее испариться.

На основании кривых сушки можно построить кривые скорости сушки. Для этого по оси абсцисс откладывают содержание влаги в материале, по оси ординат ‑ скорость сушки, представляющую собой изменение влаги во времени dW/dτ. Характерные кривые скорости сушки представлены на рис. 2. Вертикальная прямая представляет собой период прогрева продукта.

Горизонтальная прямая линия соответствует постоянной скорости сушки. С точки К₁, которая отражает критическую влажность материала, начинаются кривые падающей скорости. Обе кривые заканчиваются в точке А, которая обозначает скорость сушки, равную нулю. Влажность продуктов при этом достигает равновесного значения (W_p). На кривой 2, отражающей скорость сушки макарон, вторая критическая точка К₂ соответствует началу удаления из них адсорбционной влаги.

Периоды постоянной и падающей скоростей сушки принципиально отличаются друг от друга.

Период постоянной скорости сушки зависит от внешней диффузии, т.е. от удаления влаги с поверхности продукта. Скорость внутренней диффузии в этот период не определяет интенсивности сушки, так как влага из центральных слоев к поверхности материала поступает в большом количестве. Эффективность сушки в этот период зависит от количества теплоты, подведенной к продукту. Ее должно быть достаточно, чтобы испарить и отвести всю влагу с поверхности материала.

Период падающей скорости сушки более сложный, так как во время его протекания интенсивность сушки предопределяется внутренней диффузией связанной в продукте влаги. Существенное влияние на процесс сушки оказывают свойства, состав, размеры и форма высушиваемого продукта. Количество теплоты, подведенной к продукту, также оказывает влияние на эффективность сушки в этот период, однако она менее существенна, чем в период постоянной скорости сушки. В связи с аналогичностью процессов пассерования муки и ее сушки представляет интерес рис. 3, на котором представлены кривые изменения влажности муки и скорости процесса, полученные экспериментальным путем в Харьковском институте общественного питания. Как видно из рисунка, кривая изменения влажности муки идентична кривой сушки, а скорость процесса пассерования описывается той же кривой, что и скорость сушки.

Контрольные вопросы

Дата добавления: 2015-07-21