Процесс фазового превращения льда в пар может иметь место при давлении пара, равном или меньшим 611 Па, и тем­пературе ниже 0,0098°С. Температура замерзания и равновес­ное давление водяного пара вследствие растворения в жидкой фазе различных веществ ниже, чем для чистой воды. Интенсив­ность процесса сублимации значительно возрастает при пони­жении давления во внешней среде.

Сохранения структуры высушенного материала, предотвра­щения миграции влаги и нарушения равномерности концентра­ции веществ по объему продукта в процессе сушки можно дос­тигнуть при вымораживании около 80—90% воды от ее общего содержания. Хорошее качество продукта можно получить, замо­раживая его при —20°С с последующей сублимацией льда при этой температуре. В этих условиях около 10—20% наибо­лее прочно связанной воды находится в жидком состоянии и удаляется из продукта при положительной температуре. Про­цесс сублимации льда и испарения оставшейся влаги происхо­дит в условиях вакуума при остаточном давлении 13,3— 200 Па. Величина вакуума определяет режим движения пара и газов как в порах продукта, так и в объеме сушильной камеры.

Сублимация льда в условиях вакуума сопровождается значи­тельным увеличением объема влаги (при давлении 13,3—133 Па объем увеличивается в 10⁵—10“ раза), вследствие чего сущест­венно увеличивается длина свободного пробега молекулы.

Режим движения пара определяется соотношением длины свободного пробега молекулы и размером канала, при котором молекулы перемещаются на всем пути без соударения в виде молекулярного пучка со скоростью, приобретенной молекулами в момент отрыва от кристаллов льда. Этот режим движения называется молекулярным, или эффузионным. При указанных выше величинах остаточного давления движение пара в порах продукта имеет в основном характер молекулярной диффузии, а режим движения парогазовой смеси в объеме сублиматора — диффузионный (или вязкостной).

Характер начального этапа процесса обезвоживания посту­пающего на сушку материала определяется его термическим состоянием. Если на сушку поступает материал, имеющий поло­жительную температуру, то процессу сублимации льда пред­шествует фаза самозамораживания продукта.

В процессе вакуумирования системы происходит испарение влаги с поверхности продукта (около 15%), в результате чего его температура понижается до отрицательных значений. Вслед­ствие выделения теплоты кристаллизации изменение темпера­туры продукта в процессе самозамораживапия имеет неравно­мерный характер. Вслед за фазой самозамораживания начина­ется собственно сублимация.

В случае загрузки сушильной камеры предварительно замо­роженным материалом влагу из него удаляют сублимацией льда. При этом влага может испаряться уже в период вакууми­рования системы, если температура загружаемого продукта достаточно высока и соответствующая ей упругость пара боль­ше давления в сублиматоре. После создания вакуума, отвечаю­щего заданной отрицательной температуре продукта, к нему начинают подводить тепло в количестве, обеспечивающем пре­дусматриваемые температурные границы материала в зоне сублимации и на его поверхности.

Движущей силой переноса частиц пара с поверхности субли­мации является разность парциальных давлений, соответствую­щая температуре поверхностей материала и конденсатора.

По мере испарения влаги зона сублимации постепенно углуб­ляется. При этом слой материала, возгонка льда в котором закончена, приобретает положительную температуру. С начала углубления зоны испарения начинается внутренний тепло- и массоперепос. Пар из зоны сублимации к открытой поверхно­сти перемещается под действием разности влажности и темпе­ратуры. Сопротивление внутреннему переносу пара по каналам и капиллярам высохшего слоя зависит от их числа, размеров, формы и возрастает по мере обезвоживания продуктов, в ре­зультате чего скорость испарения влаги понижается. Процесс сублимационной сушки заканчивается, когда температура всего продукта становится положительной. Последний период суш­ки—удаление наиболее прочно связанной влаги — требует большого расхода энергии и происходит при'резком снижении скорости сушки. Температура продукта при этом непрерывно повышается.

Продолжительность процесса сушки зависит от структурных и физико-химических свойств продукта; толщины образца и соотношения поверхности к объему, от общего давления в си­стеме и парциального давления воздуха, способа и интенсивно­сти теплоподвода к материалу, величины гидравлического со­противления на пути движения пара от поверхности сублима­ции к поверхности конденсации. Интенсивность сушки можно увеличить, повышая температуры материала или понижая тем­пературы конденсации.

В большинстве случаев придерживаются «оптимально-рен­табельного» режима, температура сублимации —10—20°С, температура конденсации —ЗО- 40°С. При выбранных режи­мах сушки интенсивность испарения жидкой влаги из материала на заключительном этапе для каждого вида продукта зависит от интенсивности подвода тепла в зону испарения и перемеще­ния образующегося пара сквозь высохший слой к поверхности материала. Поэтому продолжительность процесса в этот период в значительной мере определяется толщиной продукта.

В процессе сушки в зону парообразования необходимо под­водить тепло в количествах, эквивалентных теплоте, отнимае­мой от продукта при испарении влаги. От соблюдения этого условия зависит скорость сушки и качественные показатели продукта. При недостатке подводимого тепла снижается ско­рость сушки, при избытке возможно размораживание продукта и пригорание поверхностных слоев.

На основании кинетики сублимационной сушки разработаны методы управления энергоподводом по экстремальным темпе­ратурам материалов.

Высушенный сублимацией материал имеет весьма низкую теплопроводность, поэтому при подводе тепла в зону сублима­ции теплопроводностью интенсивность передачи тепла недоста­точна. Более эффективным методом теплоподвода является сообщение объекту сушки энергии электромагнитных коле­баний. В настоящее время в действующих промышленных уста­новках применяют кондуктивный, радиационный и кондуктивнофадиационный энергоподвод.

При кондуктивном нагреве продукт помещают на противни, установленные на полых металлических полках, внутри которых циркулирует теплоноситель. Энергоподвод осуществляется через замороженную зону материала к его свободной поверхности. В процессе сушки происходит постепенное углубление фронта сублимации в толщу продукта. Тепло в зону испарения пере­носится с небольшой скоростью, так как в теплообмене участ­вует только та часть продукта, которая контактирует с грею­щей поверхностью, а теплопроводность высохшего слоя весьма незначительна. В этих условиях из-за возможности перегрева продукта температура теплоносителей в плитах невелика (40— 50 °С). Продолжительность сушки кусочков мяса толщиной 12—15 мм составляет 15—20 ч.

Теплоподвод кондуктивным путем можно интенсифицировать за счет увеличения контакта продукта с греющей поверхностью. При контактном методе нагрева продукт помещается между двумя объемными сетками, которые располагаются между на­гревательными плитами. Плотность контактов обеспечивается прижатием плит к продукту. В этих условиях тепло передается продукту с двух сторон через материал сеток. Температура теплоносителя в подобных установках может быть значительно более высокой (в начале процесса до 140°С). Длительность сушки продукта сокращается примерно в 2 раза.

Широкое распространение в практике получил радиацион­ный теплоподвод, при котором значительная часть энергии пере­дается материалу излучением. Эффективность такого нагрева связана с тем, что энергия воспринимается всей облучаемой поверхностью материала и излучение проникает на некоторую глубину. Инфракрасные излучения интенсифицируют тепло- и массообмен материала с окружающей средой. При этом необ­ходимость соприкосновения источника тепла с материалом от­падает.

В связи с тем что проницаемость большинства материалов увеличивается с уменьшением длины волн, использование вы­сокотемпературных лучистых нагревателей позволяет сократить продолжительность сушки.

Выбор генератора излучения зависит от оптического и массо­обменных характеристик объекта сушки на разных стадиях его обезвоживания. Для сублимационной сушки пищевых про­дуктов применяют генератор с диапазоном излучения 0,1 — 3,0 мкм. В промышленной установке СУ-3,0 используются элект­рические нагревательные панели, обеспечивающие лучистый энергоподвод к материалу с двух сторон. При таком теплоподводе длительность сушки кусков мяса толщиной 10—12 см со­ставляет 6—8 ч.

В настоящее время в сублимационных установках приме­няют также радиационно-кондуктивный теплоподвод. При ком­бинированном способе поток лучистой энергии подводится свер­ху к открытой поверхности объекта сушки. Одновременно от дна противня, на котором расположен продукт, осуществляется подвод тепла кондукцией.

Расчет параметров процесса сублимационной сушки в зави­симости от условий энергоподводов и объектов сушки приведен в книге Б. П. Камовникова, Л. С. Малкова, Д. А. Воскобойни­кова «Вакуум-сублимационная сушка пищевых продуктов».