РАЗДЕЛ 2.
ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ ГИПОТЕЗА и методики
ИССЛЕДОВАНИЙ СУШКИ В МАССООБМЕННЫХ МОДУЛЯХ
2.1. Феноменологическая гипотеза процесса сушки пищевого сырья в массообменных
модулях.
Рис. 2.1. Эволюция системы при сушке:
1, 2, 3 - интенсивности процесса
Для формулирования научной гипотезы применим основные положения и теоремы
неравновесной термодинамики. Согласно второму началу термодинамики, любая
система, рано или поздно примет равновесное состояние по отношению к окружающей
среде, а суммарная энтропия в системе и окружающей среде возрастет. При сушке
это произойдет, если влажный материал представляет собой открытую систему по
отношению к окружению. Однако второе начало не может “определить” промежуток
времени, за которое это произойдет. Это означает, что существует множество
вариантов эволюции системы из состояния с энтропией S0 до равновесия с Sр.
Тогда любой процесс сушки можно изобразить в координатах J-S: J - плотность
потока массы; S - энтропия системы (рис.2.1). Пусть Jmax - любая условная
величина, достигаемая в каждом из трех процессов. Чем ближе линия Jmax =const.
к оси абсцисс, тем меньше отклонение от равновесия. В пределе, длительность
такого процесса - бесконечна. Длительность процесса уменьшается с удалением
Jmax =const. от оси абсцисс. Другими словами, площадь под кривой J обратно
пропорциональна продолжительности эволюции системы к состоянию равновесия.
Теперь возьмем одну и ту же систему (влажный материал + сушильный агент),
которая тремя различными способами (способы сушки) достигла состояния
равновесия. Сделаем предположение, что каждый из этих процессов на каком-то
этапе эволюции (ось S) характеризовался одинаковой величиной Jmax (см.
рис.2.1). Несмотря на большое количество вариантов эволюции, видно (из
предыдущего анализа), что процесс - 3, будет длиться меньше, чем первые два
(площадь под кривой больше). При достижении Jmax каждый из процессов будет
находиться в некотором промежуточном состоянии с энтропией Smax . Видно, что
для третьего процесса эта величина большая, нежели для первых двух. Но это
возможно в том случае, если максимум скорости достигнут не в начальный период
обезвоживания.
Идеальным, с точки зрения искусственной сушки, был бы процесс, протекающей по
граничным линиям (прямоугольник). Ответ на возможность его существования дадим
с помощью следующих положений неравновесной термодинамики. При анализе теоремы
о минимуме производства энтропии (разд.1.2) отмечалось, что стремление системы
к стационарному состоянию, является обязательным направлением любого процесса.
Именно это определяет интенсивность и характер рассеивания потоков энергии.
Свободная влага поверхности материала при сушке далека от равновесия с
окружающей средой, а образующаяся на границе раздела “жидкость-газ” прослойка
пара является диссипативным образованием. В адиабатных условиях избыток
рассеиваемой ею энергии, в сравнении с поглощаемой, приведет к изменению
температуры поверхности жидкости. Значение этой температуры не зависит от
количества влаги и полностью определяется взаимодействием диссипативного
образования с окружающей средой. Стремление к устойчивости (к минимуму
производства энтропии) требует подвода теплоты. Единица объема воздуха имеет
предел “запасов” такой энергии, поэтому устанавливается стационарный режим,
определяемый в общем случае температурой и паропоглощающей способностью
воздуха. При этом температура поверхности жидкости будет иметь так называемую
температуру “мокрого” термометра. Изменить температуру жидкости при условиях
конвективной сушки () можно только за счет изменения величины рассеивания
энтропии: уменьшение произведения - приведет к росту температуры, а повышение -
к снижению температуры поверхности жидкости. Но это возможно только в том
случае, если изменится сумма произведений потоков на их термодинамические силы
(градиенты концентраций, температур), которые определяются параметрами
сушильного агента. Таким образом, невозможно нагреть объем воды до критической
температуры (предельного цикла) конвективным потоком сухого воздуха из-за
наличия диссипативных образований - паровой прослойки. Следовательно, об
интенсификации процесса сушки в этот период (при ) можно говорить только в том
случае, если, управляя параметрами сушильного агента, удается снизить
температуру свободной поверхности образца. Все другие попытки приведут только к
неоправданным затратам энергии. В связи со сказанным, имеется предел в
интенсификации конвективного процесса сушки (конечное влагосодержание рабочего
воздуха, образование гидродинамического слоя конечной толщины при обтекании
объекта сушки, и др.), существование которого обусловлено самой природой
поведения неравновесных систем: процессы происходят внутри области предельного
цикла.
Удельная мощность рассеивания диссипативной структуры тоже ограничена и
определяется в общем случае удельной энергией ее образования. Так
придерживаться мнения, что использование в конвективной сушке 100°С приведет к
образованию каких-либо других диссипативных структур, кроме паровой прослойки,
не обосновано, т.е. вывести жидкость за пределы температуры кипения, без
неоправданных энергозатрат (имеется ввиду затраты на перегрев сухой поверхности
материала до 100°С), невозможно. Для этих целей, единственно правильным
направлением является использование низкоэнтропийных источников энергии,
образованных эквивалентными затратами теплоты (энергии), но при большей
абсолютной температуре. К таким источникам следует отнести нагретые твердые
тела, их излучение, либо силовые поля, хар
- Київ+380960830922