Кривая сушки и ее анализ

В процессе сушки влажных материалов происходят взаимосвязанные процессы тепло- и массообмена между материалом и сушильным агентом. Наружные процессы характеризуются внешним массообменном – испарением влаги, т.е. движением пара от поверхности материала в окружающее воздушное пространство и внешним теплообменом между нагретым газом и поверхностью материала. При испарении влаги с поверхности нарушается равновесие. Внутренние части продукта имеют более высокую влажность и, соответственно, более низкую температуру по сравнению с поверхностными слоями. За счет разности влагосодержание поверхностных и внутренних слоев возникает градиент влагосодержания. Это приводит к процессам внутреннего тепло- и массообмена, при которых происходит перемещение влаги из внутренних, более влажных слоев, к поверхностным и оттуда уже происходит ее испарение. Благодаря наличию градиента влагосодержания происходит непрерывное уменьшение влажности во всем объеме высушиваемого продукта.

На перемещение влаги внутри продукта влияет также и термодиффузия, которая обусловлена перепадом температур. Под ее влиянием влага перемещается от участков с более высокой температурой к участкам с более низкой температурой. При низкотемпературной сушке термодиффузия не имеет существенного значения, но при высокотемпературной сушке она оказывает существенное влияние на процесс сушки. Так, например, при конвективной сушке явление термодиффузии препятствует перемещению влаги из внутренних слоев к поверхности, так как температура внутренних слоев (за счет более высокого влагосодержания) ниже. Поэтому в таких случаях рекомендуется применять осциллирующий режим сушки с поочередной подачей холодного и горячего воздуха. Это вызывает совпадение направления диффузии и термодиффузии влаги и процесс сушки ускоряется. При ускоренных методах сушки (при температурах выше 100 ⁰С) испарение влаги происходит равномерно по всему объему продукта, и влага внутри перемещается в виде пара. Это приводит к появлению градиента давления, так как скорость превращения воды в пар выше, чем скорость выхода его из продукта. За счет этого ускоряется перемещение влаги.

Рисунок 3.1 – Кривая сушки

Процессы внутреннего и внешнего тепло- и массообмена между собой взаимосвязаны и приводят к изменению массы продукта в процессе сушки. По изменению массы продукта в процессе сушки нельзя сравнивать работу различных сушильных установок. Для этого пользуются графическим изображением изменения влагосодержания по времени (W-τ), которое называется кривой сушки. Кривая сушки представлена на рисунке 3.1.

Анализируя кривую сушки, можно выделить ряд участков. Участок АВ – период подогрева продукта. В этот период влагосодержание изменяется незначительно. Этот период можно выделить при низкотемпературных режимах сушки продуктов в высоком слое. Участок ВС – период постоянной скорости сушки. Он характеризуется постоянными скоростью снижения влагосодержания (за равные промежутки времени удаляется одинаковое количество влаги) и температурой материала. В этот период удаляется преимущественно свободная влага. Этот период продолжается до наступления критического влагосодержания (w_к). На кривой сушки этому моменту соответствует точка С. Критическое влагосодержание – граница между периодом постоянной (1-й период) и падающей (2-й период) скоростями сушки.

В периоде постоянной скорости сушки интенсивность процесса определяется только параметрами сушильного агента и не зависит от влагосодержания и физико-химических свойств продукта.

В периоде падающей скорости сушки (участок СД на кривой сушки) скорость сушки уменьшается по мере снижения влагосодержания продукта. Температура продукта увеличивается и к концу периода приближается к температуре сушильного агента. Процесс сушки продолжается до достижения равновесного влагосодержания, после этого удаления влаги прекращается. В этот период удаляется связанная влага, и постепенное снижение скорости сушки объясняется увеличением энергии связи влаги с материалом. В этот период процесс удаления влаги зависит от влагосодержания, характера связи влаги с материалом, физико-химический свойств материала и параметров сушильного агента.

По кривым сушки определяют скорость сушки в любой период времени. Скорость сушки определяется как тангенс угла наклона касательной, проведенной через данную точку кривой сушки, соответствующую определенному влагосодержанию материала.

tgσ=

Максимальная скорость в период постоянной скорости сушки определяется по формуле:

tgσ_макс.. = ( )_макс. = N (%/ч или %/мин)

К концу процесса при равновесной влажности скорость сушки равна 0 (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 – Кривая скорости сушки.

Задача. Начальное влагосодержание продукта 77% (по влаге), критическое влагосодержание 30% (по влаге). Рассчитайте время, требуемое для начала периода падающей скорости сушки продукта, если постоянная скорость сушки равна 0,1 кг Н₂О/(м²с). Продукт имеет форму кубиков с размером граней 5 см, начальная плотность продукта 950 кг/м³.

Исходные данные:

Начальное влагосодержание – 77% (по влаге);

Критическое влагосодержание – 30% (по влаге);

Постоянная скорость сушки 0,1 кг Н₂О/(м²с);

Размер продукта – кубики с гранями 5 см;

Начальная плотность продукта - 950 кг/м³.

Подход

Продолжительность периода постоянной скорости сушки будет зависеть от массы удаленной воды и скорости ее удаления. Масса удаленной воды должна быть выражена в пересчете на с.в., а скорость удаления воды должна рассчитываться для площади поверхности продукта.

Решение

1. Начальное влагосодержание:

0,77 кг Н₂О/кг продукта=3,35 кг Н₂О/кг с.в.

2. Критическое влагосодержание:

0,3 кг Н₂О/кг продукта=0,43 кг Н₂О/кг с.в.

3. Количество влаги, удаляемой в период постоянной скорости сушки:

3,35-0,43=2,92 кг Н₂О/кг с.в.

4. Площадь поверхности продукта

0.05 m×0.05 m=2,5×10^-3 м² /сторона

2,5×10^-3 ×6 сторон = 0,015 м²

5. Скорость сушки:

0,1 кг Н₂О/(м²с)× 0,015 м² = 1,5×10^-3 кг Н₂О/с

6. Используя плотность продукта, можно определить начальную массу продукта:

950 кг/м³×(0,05)³ м³=0,11875 кг продукта

7. Общее количество удаляемой воды:

2,92 кг H₂O/кг с.в.×0,0273 кг с.в.=0,07975 кг H₂O

8. Используя скорость сушки, рассчитаем продолжительность периода постоянной скорости сушки:

Литература

1. Sachin V. Jangam, Chung Lim Law and Arun S.Mujumdar. Drying of Foods, Vegetables and Fruits,vol.1, 2010.

2. Ханжаров Н.С., Абдижаппарова Б.Т., Оспанов Б.О. Вакуумно-атмосферная сушка термолабильных материалов. - Шымкент: ШФ КазАТК им. М. Тынышпаева, 2007. – 163 с.

3. R. Paul Singh, Dennis R. Heldman. Introduction to Food Engineering // Elsevier, Fourth Edition, 2009, 841 p.