3. Внутрішнє тепломасоперенесення при випіканні

3.1. Закони перенесення вологи в тісті-хлібі при випіканні

В тісті-хлібі, що випікається, діють дві основні сили переміщення вологи (волого-або масоперенесення):

Перша – вологопровідність, яка виникає під впливом різниці концентрацій вологи в різних шарах вологого капілярно-пористого матеріалу (тіста-хліба) в процесі випікання. Переміщення називається концентраційним або вологопровідністю і відбувається від дільниць з більшою концентрацією до дільниць з меншою концентрацією вологи.

Друга – термовологопровідність, яка виникає під впливом різниці температур в різних шарах вологого капілярно-пористого матеріалу (тіста-хліба) в процесі випікання. Переміщення називається тепловим або термовологопровідністю і відбувається від дільниць з більш високою температурою до дільниць з меншою температурою.

При випіканні тіста-хліба має місце одночасно велика різниця вологостей, наприклад шарів кірки і м’якуша, і значна різниця температур між поверхневими і центральними шарами, при чому названі сили направлені в протилежні сторони (рис. 2) [4].

Переміщення вологи може відбуватися:

• шляхом дифузії пари при випаровуванні адсорбційної і капілярної вологи, при цьому потенціалом перенесення є парціальний тиск пари.

• у вигляді рідини шляхом дифузії осмотично зв’язаної вологи, коли потенціалом є осмотичний тиск, і шляхом гідродинамічного переміщення по капілярах під впливом капілярних сил.

Закон вологопровідності або концентраційного переміщення вологи формулюється таким чином:

Щільність потоку вологи, який переміщується за одиницю часу через одиницю поверхні прямо пропорційна градієнту вологовмісту і протилежно спрямована, про що свідчить знак “-”:

і_и = -а´*ρ_о*u,

де і_u - щільність потоку вологи під впливом різниці концентрацій

вологи в шарах, кг/(м²*с);

а´ - коефіцієнт дифузії вологи або потенціалопровідності

масоперенесення, м²/с;

ρ_о – щільність сухого матеріалу в одиниці об’єму вологого тіла, кг/м³;

u – градієнт вологовмісту, .

Г

20

радієнт вологовмісту як вектор спрямований в бік збільшення вологовмісту (вологості шарів) (рис. 2) [4].

Закон термовологопровідності або теплового переміщення вологи формулюється так:

Щільність потоку вологи, який переміщується за одиницю часу через одиницю поверхні прямо пропорційна градієнту температури і протилежно спрямована:

i_t = -а´*ρ_о*δ*t,

де і_t - щільність потоку вологи під впливом різниці температур в шарах,

кг/(м²*с);

δ – відносний коефіцієнт термовологопровідності або термодифузії

вологи, .

Градієнт температури спрямований як вектор по нормалі до ізотермічної поверхні в бік збільшення температури, але протилежно направленню теплового потоку (рис. 2) [4].

3.2. Закон перенесення теплоти в тісті-хлібі при випіканні

Перенесення теплоти в колоїдному капілярно-пористому тілі, яким є тісто-хліб при випіканні, обумовлено кількома явищами:

перш за все теплопровідністю твердого скелету тіста-хліба (згідно закону Фур’є), а також переміщенням вологи всередині заготовки, тобто, внутрішнім масообміном [4].

Основний закон пренесення теплоти в тісті-хлібі при випіканні:

q = -λ* t+I_пр*і_заг ,

де q – питома щільність теплового потоку, що проходить в одиницю

часу через одиницю площі ізотермічної поверхні, Вт/м²;

I_пр – приведена ентальпія вологи, яка переміщується в вологому тілі у

вигляді рідини та пари, кДж/кг;

і_заг – загальна щільність потоку вологи, що переміщується за рахунок

вологопровідності і термовологопровідності, кг/(м²*с).

і_заг = і_и+і_t = -a´ρ_o*-a´ρ_oδ*t = -a´ρ_o(+δ*t)

І_пр = І_р+І_п = с_в*t_p+ε*r´,

де: І_р - ентальпія вологи у вигляді рідини, кДж/кг;

І_п - ентальпія вологи у вигляді пари, кДж/кг;

с_в - питома теплоємність води, кДж/(кг*град);

t_p – температура рідини, град;

21

ε – критерій фазового перетворення, який визначає долю пари у

вологому пористому тілі по відношенню до загального потоку

вологи. При ε=1 перенесення вологи у вигляді пари, при ε=0 – у

вигляді рідини.

r´ - питома теплота випаровування, кДж/кг.

Встановлено, що доля масообміну при випіканні тіста-хліба складає до 20% загального перенесення теплоти, що збільшує значення ефективного коефіцієнта теплопровідності приблизно на 15%. Це свідчить про необхідність врахування при експериментальних і розрахункових роботах впливу масообмінних процесів переміщення вологи в колоїдному капілярно-пористому матеріалі при випіканні на теплообмінні процеси, які відбуваються одночасно і які неможливо розірвати. Таким чином бачимо, що випікання тіста-хліба в печах є перш за все тепломасообмінним процесом переміщення теплоти і вологи всередині вологого капілярно-пористого колоїдного тіла [4].