تحقیق درباره فشار بخار آب

دانلود پایان نامه

ا ميکروبها قدرت رشد نداشته باشند.
2-کاهش مصرف انرژي: اگر مواد غذايي خشک نشود بايد در يخچال نگهداري شود که انرژي و هزينه ي زيادي مصرف مي شود.
3-سادگي حمل و نقل: کاهش وزن آب در مواد باعث آساني حمل ونقل مي شود
2-2عمليات رطوبت زدايي
اگر عمليات رطوبت زدايي از يک جسم جامد انجام شود به آن خشک کردن مي گويند. مکانيسم هاي مهم حذف آب از جامدات بصورت زير تقسيم مي شود.
1-گرفتن آب از طريق روش ها مکانيکي مانند اعمال فشار و سانترفيوژ
2-گرفتن آب از طريق تبخير (drying)
3-گرفتن آب به کمک مواد جاذب از طريق شيميايي
در خشک کردن عامل انتقال انرژي هواست زمانيکه هوا گرم مي شود پتانسيل رطوبت گيري آن بالا مي رود ( رطوبت نسبي کاهش مي يابد ) بنابراين در مبحث خشک کردن بطور همزمان انتقال جرم و انرژي مورد بحث قرار مي گيرند.
2-3اصول خشك كردن
همانطور كه مي دانيم خشك كردن فرايند حذف رطوبت از طريق انتقال همزمان جرم و حرارت است. انتقال حرارت به دماي هواي خشك، رطوبت هوا، سرعت جريان هوا (دبي هوا) ، سطح ماده ي غذايي كه در معرض جريان هوا قرار دارد و فشار وابسته است. همچنين ماهيت فيزيكي ماده ي غذايي مانند درجه ي حرارت، تركيب، مقدار رطوبت تعيين كننده ي ميزان انتقال رطوبت هستند. ماده ي غذايي تا دماي خشك كردن حرارت داده مي شود سپس رطوبت از سطح محصول با سرعتي متناسب با مقدار رطوبت تبخير مي شود و زمانيكه به رطوبت بحراني نزديك مي شود سرعت خشك شدن كاهش مي يابد. رطوبت بحراني تابعي از سرعت خشك كردن است سرعت بالاي خشك كردن رطوبت بحراني را افزايش و سرعت خشک کردن را کاهش مي دهد.

در فرايند خشك كردن نكات زير قابل توجه مي باشد:

-وقتيكه هواي داغ در پايين غذاي مرطوب جريان دارد بخار آب از ميان لايه ي مرزي هوايي كه غذا را احاطه كرده است نفوذ پيدا مي كند و با حركت هوا حمل مي شود.
– گراديان فشار بخار براي رطوبت دروني غذا به هواي خشك ثابت است.
– لايه مرزي يك سدي براي انتقال حرارت و جدا كردن بخار آب در مدت خشك كردن است و اگر سرعت هوا بالا باشد ضخامت لايه ي مرزي نازك تر است و سرعت خشك شدن سريع تر است.
– خصوصيات هواي مورد نياز براي خشك كردن موفقيت آميز غذاي مرطوب داشتن دماي حباب خشك معتدلانه، سرعت هواي بالا و RH پايين.

2-4 مفاهيم کاربردي در خشک کردن
2-4-1فشار بخار آب(VP):
براي هر هواي مرطوب مي‌توان فشار بخار آب را همراه با تعداد مولكول‌هاي هواي خشك در نظر گرفت كه هر يك به طور مستقل فشاري را بوجود مي‌آورند كه مجموعه اين فشارها، فشار كل هواي مرطوب را تشكيل مي‌دهد. به عبارت ديگر مولكول‌هاي كل موجود در هواي مرطوب، فشار بخار آب معادل VP را در كل حرارت توليد مي‌كند. مولكول‌هاي هواي خشك موجود در هواي مرطوب نيز فشار هواي خشك aP را بوجود مي‌آورند.بنابراين فشار بخار آب به طور مستقيم به تعداد مولكول‌هاي موجود به هوا مرتبط است و هر چقدر اين تعداد افزايش يابد فشار بخار آب بيشتر مي‌شود. تا حدي كه در يك درجه حرارت ثابت هوا قادر به پذيرش مولكول‌هاي بيشتري نباشد. در اين شرايط هوا به شرايط اشباع خود رسيده است و تعداد مولكول‌هاي بخار آب موجود در هوا معرف فشار بخار اشباع آن در آن درجه حرارت خواهند بود كه آنرا با علامت VSP نمايش داده. مقدار VSP در هر هوا بستگي به درجه حرارت آن دارد بطوريكه هر چقدر دماي هوا افزايش يابد، عملاً ظرفيت پذيرش مولكول‌هاي بخار آب براي آن هوا بيشتر مي‌شود.

براي سهولت اين كار از اين رابطه رياضي و بررسي ساده‌تر چگونگي تاثير تغييرات دما بر روي فشار بخار اشباع هوا نتايج حاصل از اين رابطه رياضي را در جدولي به نام جدول فشار بخار اشباع وارد مي‌كنند. اگر هواي غير اشباع را با ثابت نگه داشتن ميزان فشار بخار آب آن يا ميزان رطوبت موجود در آن سرد كنيم هوا به شرايط اشباع خود نزديك خواهد شد. به گونه‌اي كه باتوجه به جدول فشار بخار اشباع نهايتاً در درجه حرارت حدود بيست درجه سانتي‌گراد به شرايط اشباع خود خواهد رسيد. اين درجه حرارت اشباع جديد كه درجه حرارت اشباع شدن هوا مي‌باشد به نام نقطه شبنم (dpT) خوانده مي‌شود و اگر هوا را در اين دما نيز سردتر كنيم طبيعي است به دليل كاهش بيشتر ظرفيت پذيرش بخار آب در اين هوا بخشي از مولكول‌هاي بخار آب موجود در آن از فاز هوا يا فاز گازي به صورت قظرات مايع جدا مي‌شود و سيستم يك پارچه هواي مرطوب به صورت دو فازي تبديل مي‌گردد. نكته مهم در اندازه‌گيري و مفهوم نقطه شبنم ثابت ماندن فشار بخار آب در طي سردكردن هوا مي‌باشد.
2-4-2دماي حباب خشك:
دمايي كه با دماسنج معمولي اندازه گيري مي شود.

2-4-3دماي حباب مرطوب:
با گذر سريع گاز از روي يك دماسنج، دماي حباب مرطوب اندازه گيري مي شود.[10]
2-4-4حرارت مرطوب:
مقدار BTU لازم براي اينكه درجه حرارت مخلوط هوا و بخار آب را در يك پوند هواي خشك يك درجه ي فارانهايت بالا ببرد.

درجه حرارت خشك و مرطوب هوا:
براي درك بهتر مفهوم اين دو فاكتور بهتر است به سيستم اندازه‌گيري اين دو فاكتور توجه شود. اين عمل داخل يك كانال كاملاً ايزوله از محيط اطراف انجام مي‌گيرد كه در داخل اين كانال در ابتداي مسير يك ترمومتر معمولي قرارداده شده و در ادامه كانال ترمومتر ديگري تعبيه شده كه اطراف حباب آن توسط يك پارچه كاملاً مرطوب شده و اشباع از رطوبت احاطه گرديده است. هواي مورد نظر با سرعت مشخصي به داخل كانال دميده مي‌شود. هنگاميكه اين هوا در مجاورت ترمومتر اول
قرار مي‌گيرد پس از برقراري شرايط تعادلي دمايي را كه اين ترمومتر نشان مي‌دهد به نام درجه حرارت خشك هوا يا درجه حرارت حباب خشك يا درجه حرارتي كه توسط ترمومتري با حباب خشك اندازه‌گيري مي‌شود مي‌خوانند. هواي مورد نظر در ادامه مسير خود به ترمومتر دوم با حباب مرطوب مي‌رسد. بديهي است رطوبت موجود در پارچه تمايل به تبخير شدن به درون هوا را دارد و براي اين تبخير يا انتقال جرم نياز به انرژي حرارتي موجود دارد. باتوجه به ايزوله بودن سيستم اين انرژي حرارتي تنها بوسيله اجزاي سيستم يعني ترمومتر و هوا قابل تأمين شدن است. به دليل آنكه ترمومتر بخشي از انرژي حرارتي خود را در اختيار مي‌گذارد بتدريج با تبخير رطوبت دمايي را كه نشان مي‌دهد كاهش مي‌يابد و اين كار آنقدر ادامه مي‌يابد تا تبخير رطوبت از پارچه به درون جريان هوا به شرايط تعادلي خود برسد. يعني تعداد مولكول‌هاي تبخير شده از پارچه در واحد زمان با تعداد مولكول‌هايي كه از هوا به درون پارچه در واحد زمان وارد مي‌شود يكسان مي‌باشد. توجه به اين نكته حائز اهميت است كه ميزان رطوبت پارچه و هوا يكسان نخواهد شد بلكه صرفاً شرايط تعادلي برقرار مي‌شود. در اين شرايط ترمومتر دوم دماي ثابتي را نشان خواهد داد كه اين دماي ثابت به نام درجه حرارت حباب مرطوب با به اختصار درجه حرارت مرطوب هوا خوانده مي‌شود. با توجه به توضيحات درجه حرارت مرطوب هوا همواره از درجه حرارت خشك آن كمتر خواهد بود و تنها در شرايطي كه هواي مورد نظر هواي اشباعي باشد به دليل آنكه تبخير رطوبتي نداريم، افت دمايي نيز نخواهيم داشت و اين دو فاكتور با هم مساوي خواهد شد.
2-4-5نقطه ي شبنم:
دمايي كه در آن در اثر چگالش بخار نخستين قطره ي مايع ظاهر مي شوددر اين دما، دماي حباب مرطوب با دماي حباب خشك برابر است.
2-4-6فعاليت آبي:
معيار وجود آب قابل دسترس براي واكنش هاي شيميايي و رشد ميكروبي است.پس از تامين انرژي حرارتي براي تبخير آب ماده ي غذايي بايد ديد چگونه آب از مركز ماده ي غذايي به سطح آمده و تبخير مي شود .هنگاميكه تبخير از سطح ماده صورت مي گيرد و حركت و انتقال آب از تمام نقاط ماده به سطح تبخير شروع مي شود زيرا غلظت آب در داخل بيش از سطح مي باشد و تا زمانيكه اين تغيير غلظت موجود باشد آب از داخل به خارج انتقال مي يابد.
2-4-7جذب ايزوترمي:
بطور كلي چند پارامتر را در درجه حرارت ثابت به يكديگر ربط دهيم اصطلاح ايزوترم به كار مي رود.
پديده ي جذب ايزوترم در واقع عبارت است از رابطه ي مستقيمي كه بين آب يك ماده با درصد رطوبت نسبي هوا و يا با فشار در بخار آب اطراف آن به مرحله ي تعادل رسيده باشد براي رسم نمودار ( منحني ) جذب ايزوترمي خواهيم داشت. اگر يك نمونه ماده ي غذايي خشك را در رطوبت هاي مختلف قرار دهيم و پس از اينكه آب ماده غذايي و رطوبت هوا متعادل شدند يعني به نقطه ي تعادل آبي رسيدند درصد آب آنرا با اضافه ي وزني كه پيدا كرده محاسبه كنيم بدين ترتيب وقتي چند نقطه در يك درجه ي حرارت ثابت بدست آمد منحني AI (Adsorption isotherm) بدست مي آيدحال اگر نمونه اي كه كاملا مرطوب شده بود (مثلا در 100% رطوبت هوا مرطوب شده باشد) در رطوبت كمتري قرار بدهيم يعني عكس عمل قبل را انجام دهيم درصد آب از دست رفته را مجددا با كمبود وزن آن را محاسبه مي كنيم منحنيDI (Desorption isotherm) حاصل مي شود ميبينيم كه دو منحني AI و DI براي ماده ي غذايي منطبق نمي باشند كه اين حالت بنام پديده ي هيستريسيس(Hysteresis) مي خوانند.
از منحني هاي AI و DI در مواد غذايي مختلف مي توان اينطور نتيجه گيري كرد كه سيستم جذب آب توسط يك ماده ي خشك با سيستم خشك شدن آن متفاوت است اين امر غير قابل برگشت بودن بافت ماده ي غذايي را نشان مي دهد لذا هر قدر اين منحني به هم نزديك تر باشند عمل خشك شدن بهتر بوده روشي كه اين دو منحني را خيلي به هم نزديك مي كنند يا بر هم منطبق مي سازد كه روش خشك كردن تصعيدي است.

شکل (2-1)منحني هاي جذب ايزوترمي

2-4-8انواع آب در مواد غذايي:
منحني همدماي جذب به سه قسمت تقسيم مي شود.
ناحيه ي 1: اين نوع آب فقط به صورت يك لايه بر روي ذرات يا مولكولهاي مواد غذايي قرار گرفته و معمولا 5-10 % مي باشند اين لايه آب سخت به مولكولهاي پروتئني و يا به پلي مترهاي ديگر جذب شده و جدا كردن آن از مواد غذايي در شرايط عادي و خشك كن هاي معمولي بسيار مشكل است. اين آب شامل آب ساختاري ( آب داراي پيوند هيدروژني) آب تك لايه اي و آب هيدراسيون آب گريز است اين آب ها يخ نمي زنند و براي واكنش هاي شيميايي و نيز به عنوان نرم كننده (splasticizero) در دسترس نمي باشد
ناحيه ي 2: مولكول هاي آب در ناحيه ي 2 نسبت به ناحيه ي 1 پيوند ضعيف تري با ماده ي غذايي دارند و آنتالپي تبخير آنها فقط اندكي از آنتالپي تبخير آب خالص بيشتر است اين آب به عنوان حلال مواد حل شده ي داراي وزن مولكولي پايين و براي بعضي واكنش هاي بيوشيميايي در دسترس است اكثر مواد غذايي خشك شده 10-20% آب دارند.
ناحيه ي3: آبي است كه در منافذ مواد غذايي بوده و بر روي آن چند لايه بصورت آزاد قرار گرفته است اين نوع آب را به سادگي مي توان از مواد غذايي تازه خارج ساخت مواد غذايي نيمه خشك كه بين 20-40% آب دارند در اين دسته قرار مي گيرند معمولا درصد رطوبت نسبي كه با مقدار آب اين نوع غذاها به حال تعادل مي رسند بيش از 50% رطوبت نسبي است.
بطور کلي مقدار رطوبت را مي توان به دو صورت بيان کرد.
رطوبت بر اساس ماده ي خشک: نسبت کيلوگرم رطوبت به کيلوگرم ماده خشک را گويند.
(2-1)

رطوبت بر اساس ماده ي تر: نسبت کيلوگرم رطوبت به کيلوگرم ماده ي تر را گويند.
(2-2)

2-5انواع رطوبت:
2-5-1-رطوبت اوليه: مقدار رطوبت ماده در ابتداي عمل خشک کردن است.
2-5-2-رطوبت ماکزيمم: مقدار رطوبت در زمانيکه تمام خلل وفرج ماده ي اشباع از رطوبت پر شود.
2-5-3-رطوبت سطحي: مقدار رطوبتي که به شکل لايه نازک روي سطح ماده را مي پوشاند را رطوبت سطحي سطحي ناميده مي شود اين رطوبت به دليل وجود نيروهاي کشش سطحي روي سطح مايع ايجاد مي شود.
2-5-4-رطوبت تعادلي: مقدار رطوبتي از جسم که در تعادل با بخار موجود در عامل خشک کننده است. اين مقدار رطوبت، حداقل رطوبتي است که جسم مي توان در عمل خشک شدن درشرايط معيني داشته باشد گاهي به اين رطوبت ، رطوبت نمدار کمينه هم گفته مي شود با x* نمايش مي دهند. ميزان رطوبت تعادلي به عوامل زير بستگي دارد:

1-درجه ي حرارت هوا
2-ميزان رطوبت نسبي
3-ماهيت، اندازه و سطح ويژه ي ماده
خشک کردن زماني اتفاق مي افتد که ميزان رطوبت نمونه از رطوبت تعادلي بيشتر باشد.
2-5-5-رطوبت آزاد: به اختلاف رطوبت نمونه با رطوبت تعادلي گفته مي شودو عمل خشک کردن تا زمانيکه رطوبت آزاد وجود دارد مي تواند صورت گيرد.
(2-3)
به عبارت ديگر رطوبت آزاد ، بيشترين مقدار رطوبتي است که مي توان از ماده ي جامد جدا کرد و به غلظت بخار گاز بستگي دارد و نيروي محرکه در برابر انتقال جرم است اگر خشک کردن کامل باشد X=0 مي شود.
2-5-6-رطوبت چسبيده يا آب پيوندي: اگر ميزان رطوبت ماده از رطوبت تعادلي آن در رطوبت نسبي 100%کمتر باشد اين ميزان رطوبت را اصطلاحأ رطوبت چسبيده گويند. همچنين موادي که داراي رطوبت چسبيده هستند hygroscopic ناميده مي شوند. به عبارت ديگر اختلاف رطوبت بحراني و تعادلي است.
(2-4)
و در صورت بزرگ بودن خلل و فرج هم آب آزاد داريم و هم آب پيوندي.
2-5-7-آب غير پيوندي:
آب داخل منافذ جسم از نوع آب غيرپيوندي است اين رطوبت به يکي از دو شکل زير موجود است.
1-حالت بندي:
حالتي که در آن بصورت پيوسته تخلخل مواد را پر کرده است.

2-حالت آونگي:
حالتي که در آن حباب هاي هوا بصورت پراکنده در تخلخل هاي مواد وجود دارند. در حالت هاي بندي حرکت مايع به طرف سطح خارج ماده از طريق اثر موينگي انجام مي گيرد و وقتي آب به سمت خارج حرکت مي کند پيوسته مايع در سوراخ هاي ماده به هم خورده و هوا به داخل اين سوراخ ها مکيده مي شود و حالت آونگي را پديد مي آورد که در اين حالت جريان رطوبت تنها به صورت موضعي امکان پذير است.
2-5-8-رطوبت نمودار بيشينه:
اين پارامتر رطوبت تعادلي ماده در حالتي است