CC BY
46
Раздел 2. ПИЩЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 664-66.47.25
Метод расчета интенсивности процесса сублимационной сушки шубата и кумыса
Канд. техн. наук А.У. ШИНГИСОВ, академик HAH РК, д-р техн. наук У.Ч. ЧОМАНОВ РГП «Научно-производственный центр перерабатывающей и пищевой промышленности*
A calculation method of the freeze-drying process Intensity of shubat and kumiss is presented in thearticle. The difference in water activity and relative humidity of the air was chosen as a driving force of the process. For the verification of the calculation method an experimental installation was developed and manufactured.
Вакуум-сублимационная сушка продуктов является сложным технологическим процессом, для которого характерны одновременно протекающие явления тепло-и массообмена, в результате чего изменяются свойства продукта.
Интенсивность протекания технологического процесса во многом определяется правильным выбором движущей силы, что позволяет как совершенствовать методику его расчета, так и принимать рациональные режимы сушки.
Для выяснения физической природы движущей силы процесса сублимационной сушки остановимся на термодинамическом методе анализа явления переноса тепла и массы.
Из термодинамики известно [1, 5], что любой процесс переноса тепла и массы обусловливается некой движущей (термодинамической) силой X, выраженной обычно градиентом потенциала. Эта сила вызывает термодинамический необратимый поток субстанции (теплоты, массы и др.), интенсивность (плотность) которого у согласно теории Онзагера линейно зависит от термодинамической силы X:
п
j=Y.Liлxк> (1)
Дг=1
где коэффициент пропорциональности, определяющий в общем случае способность среды проводить поток субстанции (кинетические коэффициенты).
Так, по закону теплопроводности Фурье градиент температуры вызывает поток теплотыу = ~х grad I, Ь = х; по закону Фика градиент концентрации С вызывает диффузию у = -Э С, Ь = О и т.д. Наряду с этими процессами переноса возникают и сопряженные с ними процессы, например при существовании градиента температуры кроме переноса теплоты может происходить и перенос массы. Плотность потока массы у при нали-
чии градиента концентрации и градиента температуры равна
у = -¿„ С - Ьп вга(1 Т. (2)
При вакуум-сублимационной сушке [3, 4] для расчета процесса переноса тепла и массы в качестве движущей (термодинамической) силы выбирают разность температур, концентраций (влагосодержаний), давлений и другие параметры.
К сожалению, использование вышеперечисленных термодинамических параметров в качестве движущей силы не всегда в полном объеме раскрывает особенности закономерностей переноса тепла и массы при сублимационной сушке продуктов в вакууме.
С позиции молекулярно-кинегической теории при сублимационной сушке влага в замороженных продуктах под действием движущей термодинамической силы мигрирует к поверхности раздела фаз. На поверхности твердого тела молекула воды последовательно перемещается от впадин к выпуклостям микрорельефа, постепенно уменьшая число «соседей» и снижая энергетические связи с твердым телом. Далее молекула воды переходит в жидкий двойной электрический слой, из него - в замороженный слой свободной воды, а оттуда - в его окружающую среду.
По закону сохранения масс количество испарившейся влаги с поверхности должно быть равно количеству диффундировавшей влаги из внутренних слоев продукта.
Согласно принципу неравновесной термодинамики при сублимации навстречу диффундирующему водяному пару должен диффундировать сухой воздух к поверхности фазового перехода, которая для него является непреодолимой преградой. Вследствие этого концентрация сухого воздуха у поверхности возрастает, что при определенных условиях приводит к возникновению эффекта конвективного потока, называемого потоком
wc, % 1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
s
О -Шубат
А-Куныс
—^
N L \
V . VJ \
тЕ kl Nv
N V L
j, [**/W -4)W
10
12
14 t,4
Рис. 1. Кривые сушки шубата и кумыса: И/Гг — влажность продукта по сухому остатку; I — время
Стефана. С учетом этого интенсивность испарения влаги с поверхности тела, учитывающая как конвективный, так и диффузионный поток пара, определяется уравнением Дальтона
] = о«- <К)> (3)
где а - коэффициент испарения влаги с поверхности продукта;
¿/в "- влагосодержание насыщенного воздуха соответственно на поверхности тела и вдали от нее.
Представив влагосодержания с/в" через парциальные давления водяных паров ,РП " и Рв " и барометрическое давления В, после некоторых математических преобразований выражение (3) примет вид
) = ЛК " Ф), (4)
где т| - кинетический коэффициент, характеризующий скорость переноса массы в данных условиях [т| = = 0,622а/В, кг/(мЧПа)], ам/ - активность воды; Ф - относительная влажность воздуха.
Из представленного выражения (4) нетрудно заметить, что движущая сила процесса - ф) положительна в случае когда а„> ф, что указывает на миграцию влаги из продукта в окружающую среду. При условии сг^ — ф правая часть уравнения (4) равна нулю, что свидетельствует о прекращении явлений переноса влаги из материала в окружающую среду и установлении термодинамического равновесия. Если а„< ф, выражение принимает отрицательное значение, это по физическому смыслу означает, что перемещение влаги протекает в обратном направлении.
Для изучения интенсивности протекания процессов тепло- и массообмена при сублимационной сушке национальных кисломолочных продуктов шубата и кумы-
3,2 2,8 2,4 2,0 1.6 1.2 0,8 0,4
О —Кумыс А —ШиЛпт
_ о -S — —С ГС
"7 L— =4 ч
1 1
/
/
/
0,2
0,4
0,5
0,8 ф, доли шд.
Рис. 2. Зависимость скорости сушки от влажности: j - интенсивность сушки; <р - относительная влажность воздуха
са была разработана и изготовлена экспериментальная установка. Описание установки и методика проведения эксперимента подробно описаны в работе [6].
Результаты, связанные с оценкой интенсивности сублимационной сушки по предложенной зависимости, представлены на рис. 1 и 2.
Результаты, полученные расчетным путем и в результате эксперимента, показывают хорошую сходимость, что позволяет говорить о корректности предлагаемого уравнения для описания интенсивности протекания сублимационной сушки.
Список литературы
Х.Базаров И. П. Термодинамика - М: Высшая школа, 1991.
2. Гинзбург A.C. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов. - М.: Пищевая промышленность, 1973.
3. Гуйго Э.М., Журавская Н.К., Каухчешвили Э.И. Сублимационная сушка пищевых продуктов. - М.: Пищевая промышленность, 1972.
4. Камовников Б.П., Антипов A.B., Семенов Г.В., Бабаев И.А. Атмосферная сублимационная сушка пищевых продуктов. - М.: Колос, 1994.
5. Кириллин В.А. Термодинамика растворов. - М.: Энергия, 1980.
6. Чаманов У.Ч., Шингисов А.У., Тимурбекова А.К. Исследование влияния магнитного поля на процесс сублимационной сушки в СВЧ-поле молочных продуктов // Пищевая технология и сервис. - Ал .маты 2003. №2.
