2.2真空干燥過程的傳熱傳質(zhì)
凍干過程的傳熱傳質(zhì)應(yīng)包括干燥過程中物料內(nèi)水分的固氣相變及物料內(nèi)的傳熱傳質(zhì);被凍干物料外、凍干機(jī)內(nèi)非穩(wěn)態(tài)溫度場和稀薄氣體流動的理論;捕水器內(nèi)水蒸氣的氣-固相變理論等。目前,就第一部分內(nèi)容國內(nèi)外研究的較多,下面主要針對第一部分做一詳細(xì)闡述。
2.2.1傳統(tǒng)的凍干理論
傳統(tǒng)的凍干理論都是基于l967年桑德爾(Sandal)和金(King)等提出的冷凍干燥冰界面均勻后移穩(wěn)態(tài)模型(The Uniformly Retreating Iee Model簡稱URF模型)建立的一維穩(wěn)態(tài)模型。該模型將被凍干物料分成已干層和凍結(jié)層,假設(shè)已干層和凍結(jié)層內(nèi)都是均質(zhì)的,其特點是:簡單,所需參數(shù)少,求解容易,能較好地模擬形狀單一、組織結(jié)構(gòu)均勻的物料的升華干燥過程,應(yīng)用也比較廣泛,但不夠精確,主要應(yīng)用在對于質(zhì)量要求不是很高的食品的凍干。
2.2.1.1直角坐標(biāo)系下的模型
(1) 平板狀物料 產(chǎn)品形狀若可簡化為一塊無限寬、 厚度為d的平板, 主干燥階段熱質(zhì)傳遞的物理模型可簡化,如圖2-7所示。
傳熱能量平衡方程:
傳質(zhì)連續(xù)方程:
該模型適用于凍結(jié)成平板狀的液狀物料和片狀固體物料。
式中,TⅡ為凍結(jié)層的溫度,K; aⅡe為凍結(jié)層的熱擴(kuò)散系數(shù),m2/s;DIe為已干層的有效擴(kuò)散系數(shù) m2/s;cI為已干層內(nèi)水蒸氣的質(zhì)量濃度,kg/m3。
(2)散狀顆粒狀物料 產(chǎn)品若是散狀顆粒狀物料,主干燥階段熱質(zhì)傳遞的物理模型可簡化,如圖2-8 所示。
傳熱能量平衡方程:
傳質(zhì)連續(xù)方程:
式中,TⅠ為已干層的溫度,K; aⅠe為已干層有效熱擴(kuò)散系數(shù),m2/s;其余同上。
該模型適用于散狀顆粒狀物料,例如凍結(jié)粒狀咖啡萃取物的求解比較準(zhǔn)確。
2.2.1.2直角坐標(biāo)系下的模型
(1)圓柱體物料 產(chǎn)品形狀可以簡化成圓柱體的物料 ,主干燥階段熱質(zhì)傳遞的物理模型可簡化成如圖2 -9所示。傳熱能量平衡方程:
傳質(zhì)連續(xù)方程:
該模型適合于可以簡化成圓柱形狀的物料的凍干,例如人參、骨骼、蒜薹等。
(2)長頸瓶裝液態(tài)物料 長頸瓶裝液態(tài)物料在冷凍時高速旋轉(zhuǎn),使液態(tài)產(chǎn)品凍結(jié)在瓶壁上,主干燥階段熱質(zhì)傳遞的物理模型可簡化,如圖2-10所示。
傳熱能量平衡方程:
傳質(zhì)連續(xù)方程:
2.2.1.3球坐標(biāo)系下的模型
(1)球狀物料 產(chǎn)品形狀可簡化為球體的物料,主干燥階段熱質(zhì)傳遞的物理模型可簡化,如圖2-9所示,圖中r和R表示球半徑。
傳熱能量平衡方程:
傳質(zhì)連續(xù)方程:
該模型適合于可簡化成球狀的物料,例如草莓、動物標(biāo)本等。
(2)球形長頸瓶裝物料 球形長頸瓶裝液態(tài)物料在冷凍時高速旋轉(zhuǎn),使液態(tài)產(chǎn)品凍結(jié)在瓶壁上,主干燥階段熱質(zhì)傳遞的物理模型可簡化,如圖2-11所示。
傳熱能量平衡方程:
傳質(zhì)連續(xù)方程: