ГЛАВА 2
НАУЧНАЯ ГИПОТЕЗА. ЗАДАЧИ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Научная гипотеза о модели пищевого сырья, как объекте сушки
Проведенный анализ современного состояния проблемы использования теории сопряженных явлений переноса в технологии и технике сушки показал, что отсутствие единого подхода к физической модели пищевого сырья, как объекта сушки является серьезным препятствием для создания перспективных процессов и технологий.
Пищевые материалы с точки зрения физики являются неудобным объектом для моделирования, поскольку в процессе сушки они испытывают не только физико-механические изменения, но и химические, и биохимические. Тем не менее, как отмечено выше, основой для такой модели может служить наиболее существенная структурная особенность пищевого сырья - энергетическая неоднородность влаги внутри коллоидного капиллярно-пористого тела. При этом, наиболее простой и экспериментально контролируемый способ классификация влаги по энергии связи - это разделение ее на свободную и связанную воду. С этими понятиями в статике сушки связываются основные физические свойства пищевых материалов: сорбционные, структурно-механические [1]. В свою очередь энергия связи влаги и характер пористой структуры в такой же степени должны оказывать влияние на остальные физические свойства пищевых материалов: теплофизические, массообменные, электрические и т.д. Таким образом, можно ожидать, что динамика и кинетика явлений переноса, в конечном счете, должны определяться характером структуры влаги в ККПТ.
Классическая модель влажного тела в динамике сушки предполагает наличие в пористом скелете теле однородной по энергии связи влаги, которую условно можно представить в виде двухкомпонентной системы: сухой скелет - влага, изображенной на рис 2.1. Существуют свыше десятка [214] элементарных механизмов перемещения влаги в процессе сушки, которые связываются с фазовым состоянием влаги (газ, жидкость) и характером пористой структуры материала. Все эти явления формально объединены А.В.Лыковым в диффузионный закон влагопроводности.
. (2.1)
где - эффективный коэффициент массопроводности, обусловленный всеми элементарными механизмами переноса.
Однако, как уже отмечалось, при изменении влагосодержания коэффициент массопроводности изменяется в десятки раз, что обычно объясняется изменением элементарных механизмов перемещения влаги. В тоже время, такое изменение можно рассматривать как результат изменения энергетической структуры влаги, перемещаемой во влажной и гигроскопической области. Поэтому, например, в кинетике сушки резкое изменение скорости процесса обезвоживания объясняют началом удаления связанной влаги.
Как известно, существующие модели процесса диффузии в молекулярно кинетической теории (активационная, модель переходного состояния) предполагают, что коэффициент диффузии определяется энергией активации перехода молекул из одного состояния в другое [84]
, (2.2)
где - энергия активации.
Поэтому, при наличии молекул с разной энергией связи, процесс диффузии для них будет проходить с различной скоростью. В связи с этим, логичнее использовать в динамике, кинетике и статике сушки гетероэнергетическую модель влажного тела, представляющую трехкомпонентную систему: сухой скелет - связанная влага - свободная влага (рис. 2.2). В такой модели существуют потоки как свободной, так и связанной влаги, которые описываются тем же диффузионным законом, однако имеют существенно различающееся коэффициенты массопроводности, вследствие различной энергии активации для свободной и связанной влаги
. (2.3)
. (2.4)
где - эффективный коэффициент массопроводности свободной влаги,
- эффективный коэффициент массопроводности связанной влаги,
- влагосодержание свободной влаги,
- влагосодержание связанной влаги.
Существование в открытой термодинамической системе компонент с различным временем релаксации к стационарному состоянию может приводить к нелинейным эффектам их взаимного превращения. Это непосредственно вытекает из принципа минимума производства энтропии И.Пригожина [215], согласно которому в гетерогенной открытой системе должны возникать внутренние компенсирующие потоки. Наличие такого внутреннего источника (стока) массы, снимает проблему коэффициента фазового превращения, который, как отмечалось в обзоре, является основным недостатком классической теории тепломассопереноса.
Гетероэнергетическая модель позволяет с единых позиций анализировать и решать комплекс проблем в технологии и технике сушки (рис. 2.3.)
Рис. 2.3. Комплекс задач теории сопряженных процессов переноса в технологии и технике сушки
Как уже отмечалось выше, процесс сушки применительно к пищевому сырью является, прежде всего, биохимическим процессом, протекание которого во многом определяется активностью воды. Поэтому основные показатели качества сушеных пищевых продуктов напрямую зависят от структуры влаги в пищевых материалах.
В тоже время, сушка является энергоемким технологическим процессом, что требует изыскания методов снижения энергозатрат. Теоретически наиболее доступным способом энергосбережения в процессах сушки является метод кинетической оптимизации, заключающийся в минимизации экономических затрат путем регулирования параметров сушильного агента. Однако такое регулирование возможно, если известна кинетическая реакция объекта сушки на это изменение, представленное в виде математической модели. При этом соответствующие уравнения кинетики должны быть построены на тех же физических принципах, что и уравнения динамики сушки (законы сохранения и феноменологические законы переноса). Только в этом случае появляется возможность для теоретического анализа влияния конкретных механизмов переноса на результат обезвоживания пищевого материала. В этом смысле и динамика и кинетика сушки равнозначны при поиске рациональ