Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ современного состояния и перспектив производства сухих гранулированных кормов для продуктивных и непродуктивных животных с целью обоснования конструкторских решений и рациональных способов сушки 7
1.1. Современное состояние, перспективы производства и использования нетрадиционных кормовых продуктов 7
1.2. Анализ современного состояния способов и конструкций установок для сушки гранулированных кормовых продуктов 11
1.3. Анализ способов гранулирования продуктов животного и растительного происхождения 28
ГЛАВА 2 Изучение основных теплофизических, структурно-механических, гигроскопических характеристик и термодинамики взаимодействия гранулированных кормовых продуктов и воды 37
2.1. Теплофизические характеристики экспандированных кормовых продуктов 37
2.2. Структурно-механические характеристики экспандированных продуктов 42
2.3. Гигроскопические характеристики и термодинамика взаимодействия гратгулированных кормовых продуктов и воды 45
ГЛАВА 3 Обоснование инфракрасного энергоподвода в процессе сушки гранулированных продуктов 59
ГЛАВА 4 Изучение кинетики и разработка рациональных режимных параметров процесса сушки гранулированных кормовых продуктов 74
ГЛАВА 5 Расчет температурных полей в экспандированных гранулах кормовых продуктов на основе моделирования тепломассопереноса в процессе конвективной сушки 89
ГЛАВА 6 Совершенствование технологии кормовых продуктов и установок для сушки и гранулирования 95
6.1. Описание предполагаемой технологической схемы производства экспандированпых кормовых продуктов и рекомендуемые сушильные установки 95
6.2. Рекомендуемые конструкции гранулятора и сушильной установки для производства гранулированных кормов для непродуктивных животных 98
Общие выводы и заключение 103
Список использованной литературы 105
Приложения 116
- Современное состояние, перспективы производства и использования нетрадиционных кормовых продуктов
- Анализ способов гранулирования продуктов животного и растительного происхождения
- Гигроскопические характеристики и термодинамика взаимодействия гратгулированных кормовых продуктов и воды
- Изучение кинетики и разработка рациональных режимных параметров процесса сушки гранулированных кормовых продуктов
Введение к работе
При производстве кормов для рыб, птицы, непродуктивных животных и крупного рогатого скота выдвигается проблема повышения эффективности переработки сырья биологического происхождения с выработкой качественных, сбалансированных и экологически безопасных кормовых продуктов на базе совершенствования технологических процессов и оборудования.
В результате более чем десятилетних экономических преобразований в России сложилась ситуация, когда основная масса кормов, особенно для непродуктивных животных (кошек, собак и т. п.) производится с привлечением иностранных технологий. Даже принимая во внимание высокую цепу и отсутствие прямого соотношения стоимости и целевых требований на кормовые продукты, наблюдается недоверие потребителя к кормам отечественного изготовления. Причиной нередко является тот факт, что предлагаемый ассортимент их весьма скудный и не всегда полностью отвечает требованиям ветеринарии.
Среди факторов кормового питания, имеющих важное значение для поддержания здоровья . и работоспособности, особая роль принадлежит полноценному и регулярному снабжению организма животных всеми необходимыми микронутриентами (витаминами, минеральными веществами, микроэлементами, в том числе минорными компонентами пищи). Организм животных не синтезирует указанные соединения и должен получать их в готовом виде с кормами, причём ежедневно, так как способность запасать незаменимые вещества впрок у организма отсутствует.
В связи с этим, научный и практический интерес представляет изучение технологических возможностей увеличения биологической и физиологической ценности кормового рациона с использованием в рецептуре отходов зерновой, овощеконсервной, рыбной и мясной промышленности и сорбентов природного происхождения. «Узким» местом, сдерживающим широкое внедрение линий по производству кормов являются финишные операции технологий кормов, такие как измельчение, экструдирование, гранулирование, обезвоживание и т.д., учитывая их высокую энергоемкость и особенности механизма внутреннего тепломассопереноса. В связи с этим актуальным является выбор экологически безопасных .методов переработки, позволяющих повысить эффективность проведения процессов и получения высоко качественного продукта.
Настоящая диссертационная работа выполнена в соответствии с координационным планом НИР АГТУ и региональной программой «Создание в Астраханской области комплекса по производству сухих плодоовощных продуктов, переработке и утилизации отходов и производство на их основе кормов, кормовых добавок и других продуктов и товаров» в ФГОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» на кафедре «Технологические машины и оборудование».
Цель и задачи диссертационной работы является повышение интенсивности предварительной обработки и сушки гранулированных кормовых продуктов различных целевого назначения, начальной консистенции и функциональных особенностей на основе теоретических и экспериментальных исследования динамики и механизма тепломассопереноса.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи: исследовать и обобщить теплофизическис (ТФХ), физико-химические (ФХС), структурно-механические (CMC)), оптические (ОХ) и терморадиационные (ТРХ) свойства и характеристики исследуемых продуктов; обосновать рациональные способы энергоподвода для гранулированных кормов для непродуктивных животных и экспандированных кормовых продуктов для сельскохозяйственных животных, птицы и рыбы; выявить влияние основных факторов на интенсивность сушки, на базе экспериментально-аналитического исследования динамики и механизма тепломассопереноса при экструдировании, экспандировании, гранулировании и обезвоживании кормовых продуктов с различным целевым назначением и структурой; изучить и проанализировать эволюцию температурных полей от влияющих параметров путем физико-математического моделирования процессов сушкиэкспандантов; предложить конструкторские решения реализации рациональных способов сушки, методов предварительного экструдирования, экспапдирования и гранулирования сырья на базе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований по интенсификации тепломассообмена.
Анализ поставленных цели и задач для ее реализации позволяет скомпоновать структуру диссертационной работы.
Структур работы.
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ И МЕХАНИЗМА
ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ПРИ СУШКЕ ГРАНУЛИРОВАННЫХ КОРМОВЫХ ПРОДУКТОВ
Цель - повышение интенсивности предварительной обработки и сушки гранулированных кормовых продуктов различных целевого назначения, начальной консистенции и функциональных особенностей на основе теоретических и экспериментальных исследований динамики и механизма тепломассопереноса
Современное состояние, перспективы производства и использования нетрадиционных кормовых продуктов
В настоящее время уделяется большое внимание переработке сырья растительного происхождения, производству сухих пищевых и кормовых кусковых, порошковых и гранулированных продуктов. Однако внедрение и надежное экономичное функционирование данных технологических линий сдерживается отсутствием надежных способов и аппаратов для сушки, гранулирования и экспандирования [9, 12, 21].
Экспандированный структурированный комбикорм является интересной альтернативой традиционным концентратам для сельскохозяйственных животных в виде граігул или кормовым добавкам. По структуре и содержанию необходимых веществ экспандированный структурированный комбикорм соответствует требованиям, предъявляемым различным типам кормления [21, 66]. Под экспандированным структурированным комбикормом понимается комбикорм, прошедший гидротермическую обработку в экспандере с кольцевым зазором и изготовленный без процесса последующего гранулирования. Экспандер работает как экструдер. по принципу HTST (высокая температура — короткое время). Обработанный продукт свободен от патогенных бактерий, улучшаются его питательные свойства, повышается доля защищенных протеина и крахмала. Экспандат хорошо смешивается с силосом, другими сырыми компонентами или шротом и сохраняет стабильность в смесях. При промежуточном хранении в корытообразных кормушках также не происходит расслоения смеси и у животных нет возможности для селективного поедания корма. При экспандировапии за счет комбинирования процессов декстринизации крахмала и денатурации белка крахмал зерна получает натуральную защиту от слишком быстрого расщепления в желудке. Надо еще отметить, что за счет лучшего баланса при усвоении протеина в желудке и тонкой кишке снимается нагрузка с азотного обмена животных, использование азота корма улучшается, что, в конечном счете, положительно сказывается на количестве выделяемого азота с точки зрения экологии [12, 13, 21, 66].
Экономия дорогих белковых комбикормов дает преимущество экспандировашгому комбикорму. К примеру, при экспандировании наблюдается увеличение доли защищенного протеина всех содержащих белок компонентов, а в комбикормовых смесях можно снизить содержание протеина на 2 - 3 %, а эмиссию азота на 3 - 5 % [21, 65].
Производство кормов для рыб и креветок показало, что использование экспандера, как гибкого автоматизированного модуля, может обеспечивать осциллирующие режимы благодаря заменяемой с помощью гидравлики матрицы и позволяет получать конечный продукт высокого качества. Система может быть спроектирована как экопроцессор. Тем самым достигается рекуперация тепла и уменьшение запаха отработанного воздуха из головки экструдера и сушилки [65].
Кроме кормовых целей, экспандированные продукты, в частности, кукурузные палочки можно использовать в группе сухих завтраков, что апробировано как в зарубежной, так и в отечественной практике и объясняется тем, что технология кукурузных палочек несложная и организация производства не требует больших капиталовложений. Получение кукурузных палочек основано на методе экструзии, применяемом при обработке исходного сырья (кукурузной крупы) в машинах специальной конструкции, называемых экструдерами. При изготовлении кукурузных палочек в результате воздействия влаги, высокой температуры и механического давления химический состав кукурузной крупы изменяется, происходит клейстеризация и декстринизация крахмала, денатурация белковых веществ. Клейстеризация крахмала обусловливает значительное увеличение содержания водорастворимых веществ в готовых кукурузных палочках (с 2 - 4 до 54 - 59 %), что способствует повышению их питательной ценности [66].
За счет внесения «бросовых» рапсе нсутилизировапных добавок в зерновые палочки можно получить высокоусваиваемый кормовой продукт с низкой себестоимостью. Поскольку кукурузные палочки имеют пористую структуру они хорошо адсорбируют различные добавки, наносимые на жировой основе. Зерновые палочки, также как хлопья и взорванные зерна - довольно стойкий при хранении продукт. Однако обогащение их добавками, особенно богатыми жирами, резко сокращает сроки хранения. В связи с этим за рубежом часто практикуется изготовление кукурузных палочек следующим образом. На предприятиях, расположенных в районах выращивания кукурузы, вырабатывают сухие кукурузные палочки без добавок. Добавки наносят на предприятиях, расположенных в районах потребления кукурузных палочек. Эти предприятия получают кукурузные палочки в виде полуфабриката и после нанесения разнообразных добавок реализовывают их.
Таким образом, стоит задача оптимизации процессов экспандирования, гранулирования и сушки зерновых, в частности, кукурузных палочек в натуральном виде без добавок.
Следует отметить, что использование крупы больше или меньше верхнего и нижнего критических размеров ухудшает работу экструдера и снижает качество продукта, так как более мелкая крупа пригорает в машине, а из более крупной не получается однородная масса.
Решающими факторами, определяющими нормальную работу экструдера, являются влажность и гранулометрический состав крупы, а также температура продукта в процессе экструзии [66].
Оптимальная влажность крупы для выработки кукурузных палочек должна быть 12 - 13 %. При использовании крупы, влажностью превышающей оптимальную, кукурузные палочки получаются сыроватые, бугристые, жесткой консистенции. Кроме того, избыточная влага крупы затрудняет работу машины, так как, попадая в нагретую зону аппарата, влага крупы быстро испаряется, превращаясь в пар, который превращает крупу во влажное тесто. Это тесто плотно пристает к виткам винтовой головки, образуя пробку, что затрудняет выпрессовывание продукта из матрицы. Если влажность крупы ниже оптимальной, качество кукурузных палочек тоже ухудшается. Между сухими крупинками, попавшими в рабочую зону машины, возникает большая сила трения, что приводит к резкому увеличению температуры образовавшегося теста, которое подгорает и кукурузные палочки приобретают привкус пригара. Обычно влажность кукурузной крупы, поступающей на переработку, значительно отклоняется от оптимальной. Поэтому технологической схемой производства кукурузных палочек предусмотрен процесс кондиционирования крупы (подсушка или увлажнение).
Для подсушивания кукурузной крупы можно использовать сушилки различных конструкций. Кукурузную крупу влажностью ниже 12% увлажняют либо путем смешивания с более влажной крупой, либо путем добавления определенного количества воды.
Анализ способов гранулирования продуктов животного и растительного происхождения
При разработке способов и конструкций для сушки кормов для продуктивных и непродуктивных животных возникла необходимость проектирования процессов и конструкций для обезвоживания гранулированных продуктов.
Процессы гранулирования находят все более широкое применение в пищевой промышленности.. Они применяются в производстве комбикормов, в сельском хозяйстве; весьма эффективны в решении важного вопроса утилизации отходов различных предприятий - возвращение их в производство как полноценного сырья [12].
Производятся следующие разновидности гранулированной продукции: брикеты (размер в поперечнике 100-200 мм), окатыши (20 0 мм), собственно гранулы (1-20 мм), таблетки (масса 0,5-8,0 г, размер 12-50 мм). Брикеты, окатыши, собственно гранулы, хотя и представляют собой дискретные, обособленные частицы (куски), применяют их в промышленности, сельском хозяйстве в виде сыпучих масс (исключение - лекарственные и пищевые таблетки и др.), в отличие от штучной продукции, где каждая частица является изделием, имеет собственное название и потребляется поштучно. Таким образом, с некоторой условностью можно считать, что гранулирование - это комплекс технологических процессов обработки таких веществ, которые могут употребляться и в негранулированном виде, но в силу специфической необходимости, а также технико-экономических соображений их используют в виде гранул. Экструзия как процесс, совмещающий термо-, гидро- и механохимическую обработку сырья с целью получения продуктов с новой структурой и свойствами, известен достаточно давно и настоящее время получает широкое развитие. Диапазон сырья, подвергаемого экструзии, охватывает широкий спектр различных органических материалов и включает пищевое сырье растительного и животного происхождения. На сегодняшний день различными видами экструзии получают ингредиенты кормов для домашних птиц, животных, рыб, кондитерские изделия (шоколад, конфеты, печенья, жевательную резинку), продукты детского и диетического питания, воздушные крупяные палочки (кукурузные, рисовые, перловые и т. д.), компоненты овощных консервов и пищеконцептратов, широкий диапазон макаронных изделий. Метод экструзионной обработки позволяет получить интенсифицировать производственный процесс, повысить степень использования сырья, создать компоненты, обладатощие высокой сгущающей водо- и жироудерживагощей способностью, снизить производственные затраты (расходы тепла, электроэнергии), расширить ассортимент пищевых продуктов, повысить усвояемость, снизить микробиологическую обсемененность продуктов, уменьшить зафязнение окружающей среды. Кроме того, в результате экструзии происходят существенные изменения и текстурирование не только на клеточном уровне, но и сложные химические, микробиологические (стерилизация), физические процессы и явления. Пищеварение человека и животных с точки зрения физиологии основано на механической деструкции пищевых продуктов и их последующей кислотной и ферментативной обработке и преобразовании сложных веществ в более простые, сопровождающиеся значительными затратами физиологической энергии. Поэтому экструзионные продукты питания в значительной мере снимают ряд проблем, особенно у людей, страдающих определенными заболеваниями. В зависимости от температуры перед матрицей различают три основных вида экструзии: холодную, теплую и горячую (варочную). При холодной экструзии температура формуемой массы перед матрицей не превышает 50 С, при теплой -находится в пределах 60...100 С, при горячей - составляет 120...200 С. Процесс экструдирования протекает так: продукт захватывается шнеком, перемещается вдоль корпуса, проходит зоны сжатия, разогрева (за счет сил трения продукта о поверхность вращающегося шнека и корпуса, а также деформаций сдвига в самом продукте), гомогенизации, зону непосредственно экструзии и разгрузки. Продолжительность обработки составляет 1 - 2 мин. Давление и температура при этом возрастают и достигают соответственно 50 МПа и 180 С. Обычно при работе экструдера в установившемся режиме требуемая температура массы перед матрицей поддерживается благодаря выделению тепла под действием трения лопастей шнека о нагнетаемую вязкую массу. При этом повышение влажности массы, снижение вязкости и увеличение пластичности приводит к снижению интенсивности трения шнека и, следовательно, к понижению температуры формуемой массы и давления экструзии. В связи с этим каждый из указанных температурных режимов экструзии характеризуется также определенными пределами значений влажности экструдируемои массы и давления экструзии. Для холодной экструзии характерны только механические изменения в материале при медленном его перемещении и формовании.
При методе теплой экструзии сухие ингредиенты сырья смешивают с определенным количеством воды и подают в экструдер, где наряду с механическими воздействиями они подвергаются тепловой обработке. Получаемый продукт (экструдат) отличается небольшой плотностью, увеличенным объемом, пластичностью, ячеистым строением. Зачастую экструдату необходима дополнительная обработка, а именно высушивание.
Одним из недостатков с точки зрения обезвоживания является то, что гелеобразная структура, образующаяся в шнековой камере в результате желатинирования крахмала, переходит во время высушивания полуфабриката в «стекловидное» состояние. При помещении сухого полуфабриката в горячую среду структура приобретает упругоэластичные свойства, а влага, превращающаяся внутри геля в пар и не находя выхода, образует множество мельчайших пузырьков в объеме полуфабриката: происходит его вспучивание, образование пенообразной структуры с одновременным ее переходом в обезвоженное состояние. Наличие же зерен крахмала, сохранивших свою индивидуальность в структуре полуфабриката (пежелатинировавшихся во время экструдирования) предопределяет наличие в структуре полуфабриката микропор. При прочих равных условиях более податливы деструкции зерна больших размеров (картофельного и кукурузного крахмала), менее податливы зерна меньших размеров (рисового крахмала). Очевидно, что в каждом конкретном случае необходимо определять оптимальное соотношение рецептурных компонентов смеси и параметров экструзии.
Гигроскопические характеристики и термодинамика взаимодействия гратгулированных кормовых продуктов и воды
Статика процессов сушки является одним из первых этапов при разработке и исследовании различных способов обезвоживания, базой для научно-обоснованного анализа кинетики процессов влагоудаления.
Исследовались гигроскопические характеристики гранулированных кормов для непродуктивных животных, высушенных методом ИК-сушки и экспандированных кормовых продуктов, обезвоженных конвективной сушкой.
Современные методы определения содержания воды можно разбить на группы [34]: химические; гравиметрические, манометрические и гигротермические (равновесные); теплофизические и электрофизические; методы разделения; спектрофотометрические; методы ЯМР; радиохимические.
Из химических методов наиболее широкое применение получил метод Фишера (титрование реактивом Фишера), в котором используется стехиометрическая реаіщия, и поэтому он обычно является эталонным (калибровочным). Преимущественное практическое значение имеют гравиметрические (весовые) методы, основанные на высушивании объектов до постоянной массы. Манометрический метод основан на измерении упругости водяного пара, который образуется при испарении конденсата пара, отоптанного непосредственно из исследуемого объекта в вакуумной установке. Гигротермический метод основан на измерении давления пара в воздухе (или непосредственно влагосодержания воздуха), находившегося в равновесии с исследуемым материалом в замкнутом объеме. К теплофизическим -и электрофизическим методам относятся исследование и измерение физических свойств и характеристик продуктов (коэффициента теплопроводности, теплоемкости, электропроводности, диэлектрических характеристик и др.), которые зависят от их влагосодержания; к этим же методам относят и дифференциальный термический анализ. Значительные перспективы имеет применение метода ЯМР, который дает возможность определить не только содержание воды, но и исследовать ее связь с сухим скелетом материала или с другими веществами в растворе.
Этот метод основан на поглощении энергии радиочастотного магнитного поля ядрами атомов водорода (протонами) воды, как известно, протоны обладают определенным магнитным моментом и если поместить исследуемый материал в постоянное магнитное поле и воздействовать на него полем высокой частоты, перпендикулярным направлению магнитного поля, то система при известных условиях приходит к резонансу (резонансное поглощение энергии протонами) и, таким образом, по спектру ЯМР можно судить о наличии и состоянии воды в материале.
Для получения зависимости U\ = fyi) наибольшее применение имеет тензометрический метод Ван Бамелепа. Это по существу статический метод, согласно которому образцы материала с заранее определенной влажностью выдерживаются в эксикаторах над водным раствором серной кислоты или различных солей. Известной концентрации растворов соответствует при данной температуре определенное парциальное давление пара, т.е. соответствующее значение (р. Образцы периодически взвешиваются на аналитических весах с точностью до 0,0001 г до достижения постоянной массы, при которой влажность их соответствует равновесной.
Исследования проводились тензометр ическим методом, подробно описанным в работах [25, 29, 34,49, 53, 54, 95]. Эксперименты проводились при 3 повторностях. Относительная ошибка при измерении Aw (аналог ф), зависящая от температуры, диапазона измерений не превышала 6,5%.
На рис. 2.4, 2.5, приведены изотермы сорбции экспандированной кукурузы и гранулированных кормов для непродуктивных животных при различных температурах. Учитывая, что экспандированные продукты являются сложной биополимерной системой, к ней можно применить основные положения физической химии полимерных и белковых веществ, разработанные в трудах Каргина В.А.., Слонимского Г.И., Китайгородского А.И. и т.д. Согласно классификации БЭТ (С. Брунауэра, Л. Деминга, В. Деминга, Р. Эммета и Б. Теллера) изотермы экспандированной кукурузы [22] можно отнести к Ш-му типу, как и изотермы с значительным, влиянием на сорбционную активность различных полярных групп [132]. Молекулы воды являются сильными диполями и при взаимодействии с полярными группами электронная пара водорода смещается к электроотрицательным атомам азота и кислорода, вследствие чего образуется электрическое поле около поверхности молекул продукта, благодаря которому молекулы воды специфически ориентируются [23]. Согласно [35], можно предположить, что вода сорбируется не слоями, а как бы «кистями» молекул, при этом проходит объемное заполнение сорбционных центров с различными энергетическим потенциалами, по окончании заполнения которых образующийся условный «мономолекулярный» слой «сшивает» молекулярную структуру [23, 59]. поляризацией последующих слоев предыдущими, продолжают находиться в ориентированном состоянии [23, 24, 56], т.е. происходит полимолекулярная адсорбция. При дальнейшей сорбции, молекулы воды проникают в межмолекулярные пространства, образующиеся ввиду изначальной свободной упаковки молекул и их теплового движения, что постепенно приводит к слабому набуханию, ввиду гибкости молекул продуктов [28, 88], аморфизации и явления «сорбционной усадки». После 3-ей характерной точки (Up = 0,14 кг/кг) происходит сильное набухание и частичное растворение, что обусловлено наличием клеточных оболочек (вследствие присутствия компонентов растительного происхождения) предполагающих превалирование осмотического механизма сорбции (набухания) [11]. Таким образом, на изотермах сорбции исследуемых продуктов можно выделить 5 характерных участков, которые, как и точки перегиба особенно наглядно видны при построении зависимости Aw =Д/р) в полулогарифмических координатах. В этом случае изотерма lnAw =ДС/Р) предстает в виде ломаной линии. В нашем случае, как и в исследованиях Гинзбурга А.С., Алсксаняна И.Ю. и др., наблюдалась большая сорбциопная способность зерновых продуктов (кукурузы), особенно в области высоких значений Aw. Т.к. одной из основных целей изучения гигроскопических свойств сухих веществ, являются рекомендации по выбору конечной влажности высушиваемых продуктов, согласно [24, 27, 118, 150] целесообразной для процесса хранения является влажность продукта соответствующая образованию «монослоя», (для гранулированных продуктов С/р =0,05 кг/кг,). Здесь влага наиболее сильно связана с материалом, биологическая активность микроорганизмов незначительна, что подтверждается исследованиями многих авторов по микробиальной обсемсненности.
Изучение кинетики и разработка рациональных режимных параметров процесса сушки гранулированных кормовых продуктов
На третьем участке энтропийная составляющая начинает возрастать, где сорбция и набухание клеток продукта определяется чисто энтропийным фактором, определяющим условия термодинамического равновесия.
У большинства органических продуктов энтропийный член весьма мал по сравнению с изменением внутренней энергии [27]. Большое значение энтропийного члена говорит о наличии внутриклеточной структурной (осмотической и иммобилизационной) влаги, ввиду осмоса и набухания, а так же заполнения влагой при микрофильтрации через полупроницаемые оболочки газовых пузырьков и капилляров [75, 101, 132]. На четвертом и пятом участках происходит уменьшение энтропийной составляющей свободной энергии, которая в свою очередь приобретает большое значение, что так же не характерно для большинства пищевых и кормовых продуктов, у которых дифференциальное изменение связанной энергии асимптотически приближается к нулю при увеличении влагосодержания и говорит о «закупорке» капилляров, уменьшения размеров и исчезновения ячеек и пор, вследствие значительной сорбпионной усадки высокопористых пенообразных экспандированных продуктов.
Получены графические и полуэмпирические математические зависимости свободной, связанной энергии и термоградиентного коэффициента 5р для экспандированных продуктов и кормов для непродуктивных животных от влажности и температуры, позволившие сделать ряд обобщений и технологических рекомендаций для оптимизации процесса сушки.
Величина S„ имеет отрицательное значение не только при малой влажности, что обусловлено явлением теплового скольжения при эффузионном переносе пара в разветвленной сети микро капилляров, но и при высоких влажностях, что свидетельствует о перемещении влаги против потока тепла, в отличии от большинства кормовых и пищевых продуктов и, в частности, исследованных экспандированных продуктов, где после гидротермического взрыва происходит разрушение большинства клеточных оболочек и образования полиячеистой структуры. Скорость такого термоосмотического движения пропорциональна VT и обусловлена взаимодействием молекул пара и продукта, эффектом «защемленного» воздуха, расширяющегося при росте температуры и вытесняющего пар, наличием клеточных мембран и, как следствие, высоким содержанием осмотической, энтропийно связанной влаги. Это явление предопределяет выбор способа обезвоживания. Для интенсификации процесса сушки таких веществ целесообразно диспергирование продукта (вспенивание, распыление, кипящий слой, предварительное измельчение, экструдирование и гранулирование и т.п.), увеличение поверхности влагообмена. Явление термоосмотического эффекта говорит в пользу поверхностных (со стороны отвода влаги) или объемных способов энергоподвода.
Как уже отмечалось, при невысокой влажности материала коэффициент 5Р становится отрицательным, что связано с явлением относительной термодиффузии в газовых смесях; воздух, как газ, имеющий большую молекулярную массу, чем водяной пар, начинает диффундировать по направлению потока тепла, а водяной пар перемещается против потока тепла. Эффект относительной термодиффузии значительно усиливается благодаря явлению теплового скольжения. Последнее проявляется в движении газа вдоль неравномерно нагретой стенки; если температура стенки снижается по ее длине, то изменяется и температура прилегающего к ней газа. Тогда вблизи стенки начинается макроскопическое движение газа (в данном случае пара) от холодных мест к горячим, т.е. в направлении, противоположном потоку тепла.
Схематично механизм этого явления можно описать следующим образом. Вдоль неравномерно нагретой стенки твердого тела происходит хаотическое движение молекул газа, причем молекулы газа, приходящие из более нагретой зоны, обладают большим запасом кинетической энергии, а следовательно, в среднем и большим импульсом, чем менее нагретые молекулы.
При соударении со стенкой молекулы газа передают ей некоторый импульс, равный изменению количества движения молекулы. Таким образом, от неравномерно нагретого слоя газа к стенке будет передаваться результирующий импульс в направлении, противоположном температурному градиенту (от горячей зоны к холодной). Тангенциальная составляющая этого импульса направлена вдоль стенки. Согласно третьему закону Ньютона от стенки к газу будет передаваться равный по величине импульс, но в противоположном направлении; вследствие этого пристеночный слой газа начинает перемещаться вдоль стенки в направлении температурного градиента (от холодной зоны к горячей) с некоторой скоростью. Приближенно полагают, что скорость теплового скольжения прямо пропорциональна температурному градиенту вдоль стенки.Так как коэффициент диффузии находится в прямой зависимости от квадрата абсолютной температуры и в обратной — от давления, а длина свободного пробега молекул соответственно резко увеличивается с понижением давления, тепловое скольжение играет важную роль в явлениях переноса в разреженных газах. Вместе с тем и при нормальном давлении скорость теплового скольжения соизмерима со скоростью диффузионного переноса пара в макрокапиллярах (процесс сравнительно медленный).
Таким образом, при сушке капиллярно-пористых материалов диффузия теплового скольжения совпадает по направлению с концентрационной диффузией пара и может способствовать ускорению процесса сушки. При малой влажности перенос влаги в коллоидном теле (которое рассматривается как квазикапилляр но-пористое тело с микрокапиллярами весьма маленького радиуса) происходит в основном в виде эффузии пара. При малой влажности материала парциальное давление пара мало изменяется в зависимости от температуры, поэтому для холодных слоев тела соотношение парциального давления и температуры .больше, чем для нагретых тел, и пар эффупдирует от холодных слоев к нагретым. Естественно, что при этом в нагретых слоях конденсации не происходит, т.е меняется только концентрация пара, а перераспределение жидкости, которое учитывается коэффициентом Sp, не имеет места. Поэтому при малой влажности коллоидного материала др 0. При большей влажности материала с повышением температуры парциальное давление увеличивается в большей мере, чем величина температуры, и пар эффундирует от нагретых слоев к более холодным, где он конденсируется. Вследствие этого в теле создастся перепад влажности, что выражается повышением коэффициента Зр (от нуля до максимального значения).
Для коллоидных капиллярно-пористых тел повышение 5Р с увеличением влажности обусловлено суммарным эффектом эффузии и диффузии пара. После экстремальной точки с увеличением влажности коллоидного тела относительное содержание адсорбционно связанной влаги в нем уменьшается в результате увеличения свободной влаги, которая перемещается в виде жидкости при уменьшении коэффициента Sp. При этом постепенно увеличивается роль переноса осмотически удержанной влаги, и при Sp близким к нулю считают, что в коллоидном теле в основном содержится только осмотически удержанная влага. В этой области влагосодержания потенциалом влагопереноса является давление набухания коллоидного тела, которое практически не зависит от температуры.
