عملية التجفيف بالتجميد هي التغيير المادي للمياه وعملية نقلها. المنتجات البيولوجية التي تحتوي على كمية كبيرة من الماء تتجمد أولاً في مادة صلبة ، ثم يتسامح الجليد الصلب مباشرة في بخار الماء في حالة فراغ ، ويتكثف بخار الماء في الصقيع في المكثف. بعد التجفيف ، تذوب الصقيع وتفريغها. تم الحصول على المنتج المطلوب بالتجميد المجفف في صندوق التجفيف بالتجميد.
تحتوي عملية التجفيف بالتجميد على عمليتين طاردتين للحرارة وعمليتي امتصاص: تنبعث المنتجات البيولوجية السائلة الحرارة وتتصلب إلى منتجات بيولوجية صلبة ، وتمتص المنتجات البيولوجية الصلبة الحرارة والجيم في بخار الماء تحت الفراغ. يطلق بخار الماء الحرارة في المكثف ويتكثف في الصقيع ، وبعد التجفيف بالتجميد ، يمتص الصقيع الحرارة ويذوب في الماء في المكثف.
أثناء عملية التجفيف بالتجميد بأكملها ، يتم تنفيذ ظاهرة انتقال الحرارة والكتلة. يحدث انتقال الحرارة طوال عملية التجفيف بالتجميد. مرحلة ما قبل التجميد: تقوم كل من المرحلتين الأولى والثانية من التجفيف ومرحلة إزالة الصقيع بنقل الحرارة ؛ يتم إجراء نقل الكتلة فقط في مرحلة التجفيف ، ويتكثف بخار الماء المتولد في منتجات الصناديق المجففة بالتجميد إلى ثلج في المكثف. في الواقع ، إنها أيضًا عملية النقل الجماعي. فقط بعد حدوث النقل الشامل ، يمكن تجفيف المنتج. في مرحلة التجفيف ، يهدف نقل الحرارة إلى تعزيز نقل الكتلة ، كما يمكن أن يؤدي تحسين نقل الحرارة إلى تحسين نقل الكتلة.
إذا لم يتم توفير حرارة أثناء عملية التسامي للمنتج ، فسوف تنخفض درجة حرارة المنتج بسبب امتصاص الحرارة الخاصة به بواسطة التسامي ، وسوف ينخفض معدل التسامي تدريجياً حتى تصبح درجة حرارة المنتج مساوية لدرجة حرارة سطح المكثف ، وسوف يتوقف التجفيف. عدد جزيئات بخار الماء على سطح المكثف يساوي عدد جزيئات بخار الماء التي تم إرجاعها من سطح المكثف إلى المنتج المجمد ، وضغط بخار الماء بين صندوق التجفيف بالتجميد والمكثف يساوي صفرًا ، ليصل إلى حالة التوازن.
إذا تمت إضافة حرارة خارجية إلى المنتج المجمد ، فسوف يتم تدمير حالة التوازن هذه ، وستكون درجة حرارة المنتج المجمد أعلى من درجة حرارة سطح المكثف ، وسيتم إنشاء فرق ضغط بخار الماء بين صندوق التجفيف بالتجميد والمكثف. يتم تكوين تيار من بخار الماء من صندوق التجفيف بالتجميد إلى المكثف. نظرًا لأن بخار الماء المتكثف على سطح المكثف يكون صقيعًا ، فإن بخار الماء في المكثف يتم امتصاصه باستمرار ، ويظل ضغط البخار في المكثف منخفضًا ؛ ويتم امتصاص بخار الماء المتدفق بعيدًا في صندوق التجفيف بالتجميد باستمرار ، ويتم تجديد بخار الماء الذي يحدث في المنتج ، مما يحافظ على ضغط بخار الماء المرتفع في صندوق التجفيف بالتجميد. العملية المستمرة لهذه العملية تحافظ على المنتج جافًا.
يبدأ التسامي من سطح المنتج ، وبعد التجفيف لفترة من الوقت ، تتشكل طبقة من المنتج المجفف أعلى المنتج المجمد ، مما يخلق واجهة بين المنتج المجفف والمنتج المجمد. مع تقدم التجفيف ، تتناقص الواجهة بشكل مستمر حتى يكتمل التسامي وتختفي الواجهة. عندما يتم إنشاء الواجهة ، يجب أن تمر جزيئات الماء عبر هذه الطبقة من المنتج المجفف لدخول الفضاء ؛ بعد نفاد جزيء الماء من الواجهة ، يدخل في فترة زمنية معينة للمنتج المجفف. قد يتم اجتياز العديد من هذه الفجوات في المستقبل قبل الدخول إلى المساحة من الفجوات الموجودة في المنتج. من الممكن أيضًا العودة إلى المنتج المجمد مع بعض التقلبات ، وتكون الفواصل الزمنية داخل المنتج المجفف أحيانًا مثل المتاهة.
بعد نفاد جزيئات الماء من سطح المنتج ، يظل مسار حركته متعرجًا. قد يصطدم بجدار الزجاجة ، وقد يصطدم بجدار اللوحة المعدنية لمجفف التجميد ، وغالبًا ما يصطدم ببعضه البعض بين جزيئات الماء ، ثم يدخل المكثف. عندما تصطدم جزيئات الماء بسطح التبريد للمكثف لأن درجة حرارة السطح منخفضة جدًا ، يمتص سطح درجة الحرارة المنخفضة طاقة جزيئات الماء ، وبالتالي تفقد جزيئات الماء طاقتها الحركية ، بحيث لا يكون لديها طاقة اترك سطح التبريد للمكثف. لذلك يتم "التقاط" جزيئات الماء. بعد احتجاز العديد من جزيئات الماء ، تتشكل طبقة من الصقيع على سطح المكثف ، مما يقلل من ضغط بخار الماء في النظام. اجعل بخار الماء في صندوق التجفيف بالتجميد يتدفق باستمرار إلى المكثف. مع تمديد الوقت ، والتسخين المستمر للمنتج في صندوق التجفيف بالتجميد والعمل طويل الأمد للمكثف ، يتم تجفيف المنتج تدريجيًا.
يتناسب معدل التجفيف مع فرق ضغط بخار الماء بين صندوق التجفيف بالتجميد والمكثف ، ويتناسب عكسياً مع مقاومة تدفق بخار الماء. كلما زاد فرق ضغط بخار الماء ، قلت مقاومة التدفق ، وزاد معدل التجفيف. يعتمد اختلاف ضغط بخار الماء على اختلاف درجة الحرارة بين درجة الحرارة الفعالة للمكثف ودرجة حرارة المنتج. لذلك ، من الضروري تقليل درجة الحرارة الفعالة للمكثف قدر الإمكان وزيادة درجة حرارة المنتج.
*** تأتي مقاومة تدفق بخار الماء من الجوانب التالية:
المقاومة داخل المنتج ، مقاومة جزيئات الماء من خلال طبقة المنتج التي تم تجفيفها. يرتبط حجم هذه المقاومة ببنية طبقة التجفيف ونوع المنتج وتكوينه وتركيزه وعامله الواقي وما إلى ذلك.
مقاومة الحاوية ، تأتي مقاومة الحاوية بشكل أساسي من فم الزجاجة ، نظرًا لأن جزء فم الزجاجة صغير ، قد يكون هناك بعض العناصر في فم الزجاجة. على سبيل المثال: سدادات مطاطية ذات أخاديد وشاش وما إلى ذلك ، فكلما كان المقطع العرضي أكبر لفوهة الزجاجة ، كانت المقاومة أصغر.
مقاومة الآلة نفسها. إنها بشكل أساسي مقاومة خط الأنابيب بين صندوق التجفيف بالتجميد والمكثف. تكون المقاومة صغيرة عندما يكون خط الأنابيب سميكًا وقصيرًا ومستقيمًا. بالإضافة إلى ذلك ، ترتبط المقاومة أيضًا بهيكل وهندسة صندوق التجفيف بالتجميد.
يمكن أن يؤدي رفع درجة حرارة المنتج في صندوق التجفيف بالتجميد إلى زيادة ضغط بخار الماء في صندوق التجفيف بالتجميد ، وتسريع تدفق بخار الماء إلى المكثف ، وتسريع نقل الكتلة ، وزيادة معدل التجفيف. ومع ذلك ، هناك حد لزيادة درجة حرارة المنتج ، ولا يمكن أن تتجاوز درجة حرارة المنتج درجة حرارة سهلة الانصهار.
اخفض درجة حرارة المكثف. كما أنه يقلل من ضغط بخار الماء في المكثف ويسرع تدفق بخار الماء من صندوق التجفيف بالتجميد إلى المكثف. يمكنه أيضًا تسريع نقل الكتلة وزيادة معدل التجفيف. لكن المزيد من خفض درجة حرارة المكثف يزيد الاستثمار وتكاليف التشغيل.
يمكن أن يؤدي تقليل مقاومة تدفق بخار الماء أيضًا إلى تسريع نقل الكتلة وزيادة معدل التجفيف. تقليل سماكة تغليف المنتج ؛ تصميم الزجاجة والسدادة بشكل معقول لتقليل مقاومة فم الزجاجة ؛ تصميم مجفف التجميد بشكل معقول لتقليل مقاومة خط الأنابيب للآلة ؛ اختر التركيز المناسب والعامل الوقائي لجعل هيكل المنتج المجفف فضفاضًا وفوضويًا ، وتقليل مقاومة طبقة التجفيف ؛ اختبار الطريقة المثلى للتجميد المسبق ، مما ينتج عنه هيكل بلوري جليدي يساعد على التسامي ، وما إلى ذلك. يمكن لهذه الطرق تعزيز نقل الكتلة وزيادة معدل التجفيف.