Теплопередача в сублимационных установках

В общем случае передачи теплоты от одного тела к другому в природе происходит 3 основными способами и их сочетанием:

• • кондукцией при непосредственном контакте 2 тел с разной тем-* пературой;
• • излучением;
• • конвекцией в движущемся потоке жидкости или газа.

В реальных сублимационных установках некоторую роль играет и передача теплоты благодаря теплопроводности газов. На рис. 14 видны эти «теплообменные ситуации», которые имеют место в реальной жизни. В рабочих камерах сублимационных установок создается достаточно глубокий (порядка 1 мм рт. ст.) вакуум. При этих условиях теплопроводность и теплоемкость паровоздушной смеси очень мала и как следствие мал вклад (это доли процента) конвективной составляющей в общий баланс теплообмена. Преобладающими являются первые 2 фактора, т. е. кондуктивный и радиационный. В свою очередь доля и роль каждого из них существенно различаются в установках различных конструкций.

Так, в установках, где объект сушки размещается непосредственно на греющих полках в лотках (противнях), передача теплоты происходит преимущественно кондукцией. В данном случае решающую роль играет плотный, надежный контакт двух обменивающихся теплотой тел, что наглядно иллюстрируют молодые люди на рис. 14. В сублимационных установках с радиационным энергопроводом к объектам

Рис. 14. И никуда, никуда нам не деться от теплообмена!!!

высушивания решающую роль играет разность температур излучателей и материала в противнях. Радиационный энергоподвод обычно используют в крупных сублимационных установках. При этом температура излучателей в начальный момент сушки может достигать 250-300°С в случае использования малоинерционных электрических источников, например тонких сеток из нержавеющей стали. При использовании в качестве излучателей греющих плит с циркулирующим в них жидким теплоносителем температура имеет значения 140-160 °С. У каждого из этих вариантов энергоподвода есть свои конструктивные инженерные особенности, достоинства и недостатки. Анализ этого вопроса не входит в задачу нашего обзора, он подробно рассмотрен в специальной литературе.

Исключительно важное влияние на ход процесса сублимационного обезвоживания оказывают условия теплопередачи в зоне «греющая полка — дно противня». Если сушка ведется не в сплошном замороженном слое, а во флаконах (ампулах), это влияние еще более возрастает, поскольку имеют место зоны контактирования «греющая полка — дно противня» плюс «внутренняя поверхность противня — дно флакона» (рис. 15). Аналогичная ситуация возникает и тогда, когда в противень загружают для сушки гранулированный материал.

Не вызывает сомнения, что даже при очень тщательной обработке поверхностей полок и днищ противней их контактирование не будет идеальным. В микрозазорах будет иметь место теплопередача всеми составляющими: кондукцией в «пятнах» контакта металлов,

Рис. 15. Условия контактирования флаконов (ампул) с противнем и греющей плитой в условиях реального промышленного производства радиацией в зазорах, теплопроводностью газа в зазорах, конвекцией. В конкретных, характерных для сушки термолабильных материалов условиях, установках с непосредственным размещением продукта на греющих полках вклад конвективной и радиационной составляющих в теплопередачу пренебрежимо мал.

Доминирующую роль играют передача теплоты через контакты и теплопроводность газа в микрозазорах.

Используем в дальнейших рассуждениях критерий Кнудсена K_n = А/5, равный отношению средней длины пробега молекул газа при данном давлении к величине зазора 5. При значениях K_n < 1 теплопроводность газа не зависит от давления. При достаточно глубоком вакууме и малых размерах зазоров K_n > 1 теплопроводность газа зависит от давления в камере сублимационной установки.

При повышении давления в камере процесс теплопередачи происходит преимущественно за счет теплопроводности газов и, следовательно, упрощается передача теплоты к продукту. Как показывают экспериментальные исследования, в интервале давлений от 2* 10"² до 10"¹, наиболее характерных при сублимационной сушке биоматериалов, коэффициент теплопередачи пропорционален давлению в камере.

Таким образом, контролируя давление, можно управлять коэффициентом теплопередачи «греющая полка — продукт». В настоящее время существует несколько устройств, предназначенных для обеспечения повышения давления в камере обезвоживания в процессе сублимации, но одним из самых надежных способов является инжекция неконден- сирующихся газов, таких как воздух или азот. На практике отмечается, что для большинства биоматериалов при инжекции неконденсиру- ющегося газа в камеру, несмотря на небольшую теплоемкость этого газа, требуемая температура греющих полок оказывается ниже конечной допустимой температуры в сухом материале.

Контроль вакуума в процессе сушки, таким образом, может стать удобном способом контроля теплопередачи и нагрева продуктов.

Определение оптимального давления в сублимационной камере (при соответствующей температуре сублимации материала), обеспечивающего максимальную скорость испарения влаги из материала, является важным аспектом на пути интенсификации процесса сушки. Экспериментальные исследования, проведенные Д. Флосдорфом показали, что с падением давления в камере испарение становится более заметным, но затем достигает максимальной скорости и наступает насыщение. Следовательно, создание глубокого вакуума, вопреки широко распространенному мнению, не является обязательным в течение периода сублимации, так как ниже границы, которая была определена (для данной температуры сублимации), уже не происходит увеличения скорости испарения влаги из продукта, к тому же слишком глубокий вакуум затрудняет теплоперенос от нагревательной пластины к продукту.

Контроль давления в камере в процессе сушки позволяет обеспечивать скорость сублимации при более низких температурах греющих излучателей на таком же уровне, как в случае высокой температуры излучателей (примерно 125°С) и глубоком вакууме.