Тепло- і масопереносні процеси при зберіганні плодоовочевої продукції
Основною задачею наукового прогресу в галузі зберігання плодоовочевої продукції – є боротьба з втратами. За умов стабілізації температурного режиму в сховищах плодоовочевої продукції температура плодів і овочів визначається певним співвідношенням між окремими складовими теплового балансу, яке в загальному виді може бути представлене так:
Другий метод визначення втрат продукції від усушення базується на законах зовнішнього масообміну – випаровуванні вологи з поверхні продуктів за законом Дальтона [2]:
В обох розглянутих випадках діючою силою (потенціалом переносу) виступають пружність водяної пари на поверхні матеріалу і в середовищі – а механізмом перенесення вологи – її випаровування з поверхні або крізь поверхню продукту. Тобто процес втрат вологи продуктом (усушки) визначається тільки "поглинальною" здатністю повітря, а "зневоднюючою здатністю" продукту ні яким чином не враховується. Тому методами теорії "усушки" які містять в своїй основі тільки один фізичний процес, який відображує переміщення вологи від продукту до середовища (охолоджуючого повітря) та зміни його термодинамічного стану не можна пояснити "той факт, що випаровування вологи не закінчується і при відносний вологості повітря 100%" [2].
Для пояснення фізичних процесів, що приводять до зниження маси плодоовочевої продукції при тривалому зберіганні слід розглянути і пояснити механізми переносу теплоти і маси не тільки від поверхні, а й до поверхні – тобто внутрішній тепломасоперенос.
Структурно-механічні, біологічні і фізико-хімічні властивості плодів і овочів дозволяють віднести їх до класу капілярно-пористих колоїдних матеріалів в яких рідина має різні форми зв’язку; за структурою ці матеріали є капілярно-пористі, а за природою колоїдами. Складна клітинна будова, змінний хімічний склад, наявність трьохшарової кліткової оболонки, напівпроникнених мембран і еластичних мікрокапілярів затрудняють складання фізичної картини переміщення вологи. Важливо, що природа утворення різних видів зв’язку вологи в матеріалі плодів і овочів – обумовлює механізм їх переміщення при зберіганні, що приводить до втрати маси. Так переміщення адсорбційної вологи здійснюється при переведені її в стан пари, після чого вона переміщується у вигляді пари, на це витрачається теплота (дихання або підведена зовні). Волога набухання більшою частиною переміщується у виді рідини шляхом дифузії крізь стінки (мікрокапіляри) клітин. В залежності від термодинамічного стану матеріалу волога в мікрокапілярах переміщується як у вигляді рідини за рахунок капілярних сил, так і виді пари під дією різниці тиску.
Будемо вважати, що матеріал плоду складається з порожніх оболонок частково заповнених рідиною, частково газом, і оболонки сполучаються між собою проникливими мембранами та мікрокапілярами. При різних режимах клітинна волога може випаровуватися в об'єм оболонки, конденсуватися на її стінках і переміщуватись по капілярам за рахунок капілярних сил і різниці тисків (суцільного переміщення вологи по капілярах не відбувається).
При застосуванні такої моделі будови внутрішнього середовища припускається (цілком очевидно), що волога може переміщуватися до поверхні розділу із зовнішнім середовищем одночасно у вигляді рідини і пари, а поверхня розділу – зовнішня поверхня плоду, може бути представлена як сітка, що перешкоджає видаленню вологи зовні.
Якісно фізично картину розвитку процесів зневоднення плоду (усушки) в умовах зберігання при виділенні теплоти самозігрівання (теплота дихання в період штучного дозрівання) і відведені цієї теплоти охолоджуючим повітрям можна представити так. Під дією теплоти дихання, що рівномірно виділяється в об'ємі плоду (куля радіусом R) останній рівномірно розігрівається. Температурне поле в об'ємі плоду за умов наявності в ньому вологи у вигляді рідини і пару описується диференційним рівнянням енергії (переносу теплоти) [3]:
При нагріванні тіла волога в клітинних порожнечах починає частково випаровуватися, збільшуючи концентрацію пари і відповідно тиск доки не досягнеться стан рівноваги і температура буде однаковою у всьому об'ємі. При охолоджені (локальному) плоду волога, що знаходилась в порожнечі клітини у вигляді пари конденсується, об'єм клітини "вакумуеться", зменшуючи тиск. Затиснуте в нагрітих (центральних) зонах повітря і пара розширяючись проштовхує рідину до більш холодної зони тобто до поверхні.
Таким чином волога буде переміщуватись під дією різниць внутрішнього тиску, термодифузії і капілярних сил (у між клітинному просторі).
У загальному вигляді дифузійний потік можна визначити виразом [4]:
З рівняння (5) видно, що інтенсивність потоку переміщення вологи визначається трьома складовими: градіентами концентрації, температури і тиску, але основною рушійною силою є градіент температури, так як саме він і спричиняє появу інших потенціалів внутрішнього переносу. Тому навіть при відсутності зовнішнього масообміну плоду, тобто різниці концентрацій, волога буде виділятися під дією термо- і бародифузії і тим інтенсивніше, чим більші градіент температури.
Такими механізмами можна пояснити і той факт, що при різкому охолоджені повітрям з мінусовими температурами "усушка" зменшиться. Враховуючі, що інерційність поля масопровідності набагато більша за інерційність температурного поля; при інтенсивному охолоджені плоди швидко набувають рівномірного розподілу температурного поля і градієнтні механізми вологоперенесення перестають діяти.
Список літератури
1. Различные научные подходы к решению важнейшей проблемы.// Холодильная техника/ 1988, №12, с.2-10.
2. Волков М. А. Тепло- и массообменные процессы при хранении пищевых продуктов. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982., - 74 с.
3. Лыков А.В. Тепло- и массообмен в процессах сушки. М.-Л.: ГЭИ., 1956.-461 с.
4. Ландау Л.Д., Лифшиц Т.М. Механика силовых сред. М.: ГИТТЛ., 1953.-788с.
5. Николаевский В.М. Движение углеводородных смесей в пористой среде// М.: Недра.,1968.-190с.
6. Баренблат Т.И., Ентов В.М., Рыжик В.Ю. Теория нестационарной фильтрации жидкости и газа// М.: Недра, 1972.-288с.
7. Куц П.С., Гринчик Н.Н. Об уравнениях переноса в капиллярно пористых средах для задач низкотемпературной сушки, сорбции и двухфазной фильтрации/ И.Ф.Ж., 1985, т.49, №3, с.110-116.