Основные законы переноса теплоты и влаги в зерне

Все исследования процесса сушки влажных материалов делятся на три раздела:

  • 1. Статика сушки. Изучает характер связи влаги с материалом.
  • 2. Кинетика сушки. Изучает характер протекания процесса отдачи влаги.
  • 3. Динамика сушки. Изучает механизм движения влаги.

Статика сушки

Зерно относится к коллоидным капиллярно-пористым телам, содержащим, главным образом, гидрофильные коллоиды, способным удерживать огромную водную оболочку. Кроме воды коллоидные частицы могут адсорбировать молекулы любого другого растворителя и ионы электролитов, которые сообщают коллоидной частице определенный заряд. Коллоидная частица вместе с адсорбционным слоем представляет собой мицеллу. Жидкость может адсорбироваться на внешней поверхности мицеллы или проникать внутрь нее. В первом случае такая жидкость называется интермицеллярной, во втором - интрамицеллярной.

Вода в составе зерна является той средой, в которой происходят процессы непрекращающихся биохимических превращений. Причем реакционная способность воды в этих процессах неодинакова и зависит от величины прочности физической и химической связи ее с тканями зерна. Удаляя влагу в процессе сушки, затрачивают определенную энергию на нарушение влаги с материалом.

В основу современных представлений о формах и видах связи воды с материалом положена термодинамическая схема П.А. Ребиндера, построенная по энергетическому принципу, в котором учитывается интенсивность связи влаги, условия образования и нарушения этой связи.

По П.А. Ребиндеру все формы связи делятся на три большие группы: химическая связь, физико-химическая связь и механическая связь.

Химическая связь проявляется в строго определенных молекулярных соотношениях. Такая вода обладает наиболее высокой энергией с материалом, она связана в виде гидроксильных групп ионной связью в результате химической реакции (гидратации), а также молекулярной связью (образование кристаллогидратов). При образовании химической связи материал не просто увлажняется, а меняются его свойства. Вода, как таковая, исчезает и входит в структуру кристалла или в состав нового вещества. Обычной тепловой сушкой ионные и молекулярные связи не нарушаются, удаление химически связанной воды возможно лишь при химическом взаимодействии или прокаливании материала.

Физико-химическая связь более разнообразна и характерна различными не строго определенными соотношениями. Здесь различают адсорбционную, осмотическую и структурную формы связи.

Адсорбционное связывание воды сопровождается контракцией системы «коллоидное тело - влага» в результате объем материала после набухания становится меньше, чем сумма объемов влаги и обезвоженного коллоида. Разность между этой суммой (А V) и объемом коллоида, удерживающего адсорбционно связанную влагу, характеризует величину сжатия системы. Кроме того, при адсорбционном связывании воды выделяется некоторое количество тепла (Q - теплота набухания), неодинаковое для различных коллоидных тел.

На начальной стадии сорбции молекулы водяного пара притягиваются молекулами, находящимися на поверхности тела. Так образуется первый мономолекулярный слой влаги толщиной в одну молекулу. Именно в этот период выделяется наибольшее количество тепла, так как первый слой молекул находится под огромным давлением, обусловленным силовым полем.

К первому мономолекулярному слою сорбирует второй слой воды и т. д. Толщина слоя полимолекулярной сорбции может составлять сотни диаметров молекул воды, а величина энергии связи воды с веществом при этом снижается. Абсорбция вла ги происходит как на внешней, так и на внутренней поверхности мицеллы, поэтому различают адсорбционную влагу интермицеллярную и интрамицеллярную.

Осмотически связанной называют влагу, дополнительно поглощаемую коллоидным телом путем диффузии или осмоса через стенки клеток без дальнейшего выделения тепла и сжатия системы. При этом наблюдается увеличение объема коллоидного тела и изменение давления набухания. Такая влага появляется в том случае, когда в соприкосновение приходят два раствора разной концентрации, разделенные полунепроницаемой перегородкой (характерной для большинства тканей зерна). Через эту перегородку свободно проходят молекулы растворителя (воды), а для частиц растворенного вещества представляют препятствие.

Природу осмотического проникновения воды вовнутрь замкнутой клетки коллоидного тела установил академик С.М. Липатов. По его теории коллоидное капиллярно-пористое тело состоит из замкнутых клеток, стенки которых созданы из нерастворимой высокомолекулярной фракции. Внутри клетки находится низкомолекулярная растворимая фракция, которая попала туда еще при формировании геля и не способна пройти через стенки ячейки.

Растворимая фракция находится и на внешней поверхности клетки и отличается только концентрацией. Поскольку концентрация низкомолекулярной фракции внутри больше, чем вне клетки, то вода проникает внутрь путем осмоса через стенку ячейки. Таким образом, диффузия воды обусловлена разностью осмотических давлений низкомолекулярной (растворимой) фракции. Причем в отличие от неживой коллоидной системы проникание воды в ткани зерна подчиняется не только классическим законам физики, но и биологическим особенностям клетки. Например, осмотическая вода изменяет свои свойства, вступая в различные физические и химические взаимодействия с компонентами клетки.

Физико-механическая форма связи характеризуется удерживанием воды в неопределенных соотношениях в микро- и макрокапиллярах, а также связь смачивания.

Микрокапиллярами (г < 10‘5 см) влага поглощается путем сорбции пара из влажного воздуха, а также при непосредственном соприкосновении материала с жидкостью.

Макрокапиллярная (г > 10'5 см) влага также появляется в результате поглощения из влажного воздуха в замкнутых капиллярах или непосредственного контакта с жидкой водой в результате капиллярного давления.

И наконец, влага смачивания - наименее прочно связанная влага, она находится в порах и пустотах тела, а также на его поверхности. Все указанные три формы связи представляют слабую связь, и только тонкий слой воды непосредственно у поверхности тела связан адсорбционно. Таким образом, большая часть удержанной воды является свободной и при сушке сохраняет свои свойства.

Характер удаления влаги из материала обусловливается природой образования формы ее связи с веществом. Влага смачивания может быть удалена механическим путем; из макрокапилляров перемещается в виде жидкости по капиллярам; осмотическая - путем диффузии через стенки клеток. Для удаления адсорбционно-связанной влаги необходимо перевести ее в пар.

Энергия связи влаги с зерном

Различные формы связи влаги с материалом отличаются энергетическим уровнем, то есть в процессе сушки затрачивают определенную энергию. Эта энергия Е, Дж/моль, определяется по формуле

Е = R-T-tPv/P^ = - R-T-lrup,

где R - универсальная газовая постоянная, Дж/моль;

Т - температура, К;

Рк - давление насыщенного пара свободной воды над плоской поверхностью, Па;

Рм - парциальное давление пара на поверхности зерна с вла-госодержанием U, Па;

(р - относительная влажность воздуха в долях единицы.

В начальный период сушки, когда удаляется слабо связанная влага, Е=0. В зерне это наблюдается до гигроскопической влажности. При дальнейшем понижении влажности величина Е растет. В соответствии с классификацией влаги (рисунок) в зерне мономолекулярная адсорбция, протекающая со значительным выделением теплоты, происходит при небольшой влажности зерна в интервале относительной влажности воздуха {(р) 0 - 10 %, причем кривая имеет выпуклость к оси абсцисс. Естественно, что при удалении этой влаги затрачивается то же количество теплоты

Схема классификации влаги в зерне

Рисунок. Схема классификации влаги в зерне

В интервале 10 - 90 % участок АВ изотермы обращен выпуклостью к оси ординат, что характерно для полимолекулярной адсорбции и осмотически связанной влаги. На этом этапе выделяется меньше теплоты сорбции, а с увеличением влажности зерна плавно уменьшается.

В интервале 90 - 100 % изотерма сорбции приближается к прямой, что соответствует влаге микрокапилляров. На участке ВС изотермы поглощение влаги происходит без выделения теплоты.

И наконец, при ср близкой к 100 % имеет место поглощение макрокапиллярной влаги путем сорбции пара из воздуха с последующей капиллярной конденсацией. Кроме того, происходит проникновение внутрь замкнутых клеток зерна и осмотической влаги.

После точки С на кривой изотермы, соответствующей гигроскопической влажности, полное заполнение всех макрокапилляров и проникновение влаги внутрь зерна возможно при непосредственном контакте зерна с водой.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >