Немного теории о сушке
Основы понятия теории сушки
Сушка (обезвоживание, дегидратация; англ. drying, dehydration) - процесс удаления воды из материала. Гидратация (hydration) - процесс обратный сушке.
Процесс сушки может быть вызван механическим выдавливанием влаги или испарением при создании над поверхностью материала низкого давления паров воды. Первый способ не требует особых объяснений. С центрифугой, реализующей отжим белья после стирки за счет центробежных сил, знакома каждая домохозяйка. Но... работает этот процесс только при большой влажности материала. Это вызвано сильной физической и химической связью воды с сухим остовом материала.
Обычно воду в материале разделяют на свободную, связанную и химически связанную. Так называемая свободная влага в материале сосредоточена в капиллярах и в межклеточном пространстве. Хотя она и «свободная», но капиллярные силы не дают ей просто выливаться. Связанная вода сосредоточена в клетках и вакуолях, т.е. в замкнутых оболочках. Процесс «вызволения» такой воды наружу связан с проникновением воды через эту оболочку за счет сил диффузии. Природная проницаемость клеток и вакуолей мала, что является естественным свойством сохранения жизнетворной воды внутри клетки. Этим объясняются трудности сушки продуктов на малых уровнях влажности. Химически связанная вода имеет порог по энергии связи и ее удаление приводит к изменению структуры вещества.
Универсальным физическим процессом, позволяющим удалить практически всю влагу, является процесс испарения. За счет теплового движения молекул над поверхностью любого водосодержащего продукта при температуре большей абсолютного нуля (Т>-273°С) за счет процесса испарения образуется водяной пар. Часть пара может превращаться обратно в воду (или лед) за счет процесса конденсации. Если воду локализовать в некотором объеме и всю систему термостатировать, то через некоторое время возникнет динамическое равновесие между испарением и конденсацией. При этом равновесии плотность пара (а значит и давление) над поверхностью будет иметь определенное равновесное значение (давление насыщения), однозначно связанное с температурой.
Эта пропорциональность выражается экспоненциальной функцией. Если пар от поверхности удалять (откачивать, уносить потоком газа), то произойдет сдвиг равновесия в сторону испарения. Если же над поверхностью создать давление пара большее равновесного (насыщенного), то сдвиг равновесия произойдет в сторону конденсации.
Если продукт содержит большое количество воды (а это свойственно всем растительным продуктам), то над его поверхностью происходят те же процессы, что над свободной поверхностью воды. В том случае, когда воды в продукте мало и она находится в клетках и вакуолях или химически связана, то процесс испарения усложняется. Равновесие процессов испарения и конденсации в этом случае достигается при другом специфическом для каждого продукта давлении паров, т.н. равновесном давлении.
Понимание сущности процессов сушки не может быть полным без численной оценки интенсивности испарения и конденсации, а также энергетических характеристик этих процессов. Переход воды в парообразное состояние требует 2,4 х 106 Дж на кг испаренной влаги. Другими словами, для испарения 1,5 л воды требуется 1 кВт/час энергии. Достаточно энергоемко. Если бы вода не испарялась, то тот же литр был бы нагрет этой энергией до 570°С!!
Так как энергия на испарение берется от высушиваемого объекта, его энергия уменьшается, а значит падает температура. Испарение - один из самых эффективных способов охлаждения материалов и продуктов.
Представленные цифры легко помогут определить максимальную производительность установки по испаренной влаге, если известна мощность используемого источника. Учитывая КПД процессов сушки полезно помнить реперную точку: 1 л воды на 1кВт/час.
Правда это выполняется тогда, когда мы не конденсируем уносимый пар. Конденсация идет с выделением энергии, затраченной на испарение. Другое дело, что техническая реализация использования этой энергии достаточно сложна и требует существенных капитальных затрат. Использование так называемых тепловых насосов позволяет получить затраты энергии в подобных случаях 0.25 кВт/час на 1 л испаренной влаги. Рассмотрим некоторые особенности процессов для случая большого влагосодержания продукта. Преобладание испарения над конденсацией можно достичь двумя способами: уменьшением количества пара над поверхностью по сравнению с равновесным (насыщенным) или повышением давления пара на поверхности материала, например, за счет нагрева. В последнем случае через некоторое время испарение прекратится и возникнет динамическое равновесие процессов испарения-конденсации на другой температуре. Но часть воды все-таки испарится. Продолжение процесса сушки возможно только при дальнейшем увеличении температуры и т.д. Более универсальным является процесс уноса паров от поверхности. Он может быть осуществлен как за счет откачки (процесс вакуумирования), так и за счет использования газового потока, уносящего пар. Чаще всего в качестве такого газа используют воздух. Важно отметить, что содержание паров в этом воздухе должно быть меньше плотности паров над поверхностью материала.
Необходимо отметить, что продукт сохнет при любой температуре, если над его поверхностью давление паров воды меньше, чем давление насыщенных паров воды при той же температуре. Спецификой сушки при температуре ниже 0°С является процесс испарения воды не из жидкой фазы, а из твердой - изо льда. Этот процесс называется сублимацией, а сушка сублимационной. Другое ее название - леофильная сушка. Мудреные названия, но процесс, широко используемый в повседневной жизни. Сушка белья на морозе - прекрасная демонстрация этого физического явления. Важно заметить, что вода в белье сначала замерзает, превращаясь в лед. Затем происходит собственно процесс сублимационной сушки. Важно отметить, что высушить белье до требуемой потребительской влажности таким методом затруднительно. Достигаемый уровень равновесной влажности на низкой температуре возникает при заметной остаточной влажности продукта. Поэтому белье нужно подсушить при более высокой температуре.
Анализируя физику процесса сушки, мы совершенно не упоминали какую-либо исключительную роль воздуха, как обязательного атрибута сушки. Однако на практике воздух выполняет важную роль в процессах конвективной сушки: он уносит пар и одновременно подводит энергию для поддержания процесса испарения. Выбор температуры и объема воздуха, количества пара в нем в большой степени определяют скорость протекания процесса сушки. Однако важно помнить, что скорость подвода энергии (мощность) должна согласовываться со скоростью поступления влаги на поверхность из внутренних слоев продукта. Особенно это важно на заключительных стадиях процесса сушки.
Подвод энергии к материалу может быть осуществлен иными способами, чем конвекция горячего воздуха, например, передача тепла за счет теплопроводности материала - кондуктивный нагрев. Широко применяются также и методы радиационного нагрева за счет энергии электромагнитных волн различного диапазона. Чаще всего встречается инфракрасный нагрев («ИК-сушка»), микроволновый («микроволновая сушка»), нагрев токами высокой частоты («УВЧ сушка»). Общим для всех этих видов является выделение энергии в объеме вещества за счет поглощения энергии электромагнитных волн. Важно отметить, что выделение тепла практически мало зависит от текущей температуры продукта, что ведет к возможности перегрева или сжигания продукта. Различие в этих методах заключается в глубине проникновения электромагнитных волн внутрь материала.
В рассматриваемых диапазонах длин волн глубина проникновения связана с длиной волны и имеет тот же порядок. Для ИК-излучения есть, так называемые, окна прозрачности в узких диапазонах, где глубина проникновения существенно увеличивается. Однако получить узкополосное ИК излучение достаточно сложная инженерная задача. Сравнение различных способов подвода тепла при сушке представлено в отдельном материале.
Отметим важную терминологическую неточность, часто встречаемую в литературе. Термины «ИК-сушка», «Микроволновая сушка» в общем, не являются корректными, т.к. собственно сушка обеспечивается, как отмечалось ранее, или вакуумированием, или уносом пара за счет движения газа. Т.е. следует более точно говорить о сушке с использованием микроволновой энергии («microwave assisted drying») или с использованием ИК энергии. С другой стороны понятие «вакуумная микроволновая сушка» - термин корректный.
Большое разнообразие способов подвода энергии и отвода парогазовой смеси рождает большое разнообразие сушильных установок. Правильный подбор наиболее подходящей установки для сушки овощей и фруктов должен учитывать свойства продукта и высказанные здесь замечания.
Общие понятия
Влажность материала
Влажный материал состоит из твердой, жидкой и газообразной фаз. Твердая фаза характеризуется наличием твердого скелета (в виде кристаллической решетки или аморфного каркаса) без жидкости - составляет абсолютно сухое вещество. Жидкая фаза отличается подвижностью частиц, несжимаемостью, почти неизменной плотностью, не зависит от давления и температуры. Газообразная фаза характеризуется сжимаемостью, большим коэффициентом объемного расширения. Во влажном материале масса газообразного вещества незначительна по сравнению с массой твердого вещества и жидкости и не учитывается в сушильной технике, поэтому влажный материал рассматривается как смесь абсолютно сухого материала и влаги.
Для численной оценки содержания влаги используют понятие влажности. Под влажностью понимают отношение массы влаги в продукте к массе продукта в целом. Обычно исходная влажность растительного сырья составляет 80-90%, а сухого 10-12%.
Важно заметить, что для перехода от начальной влажности в 95% к влажности в 90% требуется удалить 500 г воды из каждого килограмма исходного продукта!
Влажность воздуха
Как уже отмечалось выше, чем суше воздух при данной температуре, тем выше потенциал сушки. Для числовой оценки влагосодержания воздуха используется понятие относительной и абсолютной влажности.
Абсолютная влажность: масса водяных паров в единице объема воздуха (г/м3).
Относительная влажность: отношение плотности пара в воздухе к плотности насыщенного пара. Выражается в процентах.