Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський державний університет харчування та торгівлі

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Спеціальність 05.18.12 - Процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв

Наукові основи аналізу та керування кінетикою сушіння харчової сировини

Потапов Володимир Олексійович

Харків 2007

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Харківському державному університеті харчування та торгівлі Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Погожих Микола Іванович, Харківський державний університет харчування та торгівлі, завідувач кафедри енергетики та фізики

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Бурдо Олег Григорович, Одеська національна академія харчових технологій, завідувач кафедри процесів та апаратів харчових виробництв

доктор технічних наук, професор Мальований Мирослав Степанович, Національний університет “Львівська політехніка”, завідувач кафедри екології та охорони навколишнього середовища доктор технічних наук Малецька Кіра Дмитрівна, Інститут технічної теплофізики НАН України, провідний науковий співробітник відділу тепломасообміну в дисперсних системах

Провідна установа: Національний університет харчових технологій, кафедра процесів і апаратів харчових виробництв та технології консервування, Міністерство освіти і науки України, м. Київ

Захист відбудеться “18“ травня 2007 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.088.01 Харківського державного університету харчування та торгівлі за адресою: вул. Клочківська, 333, м. Харків, 61051.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного університету харчування та торгівлі за адресою: вул. Клочківська, 333, м.Харків, 61051.

Автореферат розісланий “18“ квітня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Дубініна А.А.

1. Загальна характеристика роботи

сушіння харчовий якість кінетика

Актуальність теми. Збільшення обсягів виробництва в харчовій і переробній промисловості на фоні подорожчання енергоресурсів викликає потребу в розробці перспективних енерго_ й ресурсозберігаючих технологій та устаткування. Найбільші енерговитрати в цих галузях припадають на тепло_ й масообмінні процеси, зокрема на процес сушіння. У той же час традиційний підхід у технологічних і проектно-конструкторських розробках, заснований на експериментальних дослідженнях, вимагає істотних капітальних вкладень і не завжди дозволяє одержувати оптимальні інженерні рішення, що є суттєвою перешкодою для переоснащення переробної промисловості. Тому актуальною проблемою є не лише створення нових енергозберігаючих технологій та устаткування, але й зниження фінансових витрат на сам процес розробки. Одним з перспективних напрямків вирішення зазначеної проблеми є розробка нових методів розв'язання комплексу задач теорії сполучених процесів перенесення з метою підвищення ефективності сушильного устаткування, оптимізації процесу сушіння харчової сировини за енерговитратами та якістю сушеної продукції.

Сучасна теорія сполучених процесів перенесення, що застосовується до сушіння харчової сировини, має низку протиріч. Якщо в статиці процесу сушіння активно використовується поняття структури вологи, її енергії зв'язку, то у рівняннях динаміки застосовуються твердження нерівноважної термодинаміки, які не враховують основи вчення про форми зв'язку вологи. У результаті на практиці для опису кінетики сушіння та інженерних розрахунків використовуються емпіричні формули, отримані для певного виду харчової сировини, технології сушіння та виду устаткування. І хоча кінетико-емпіричні моделі вирішують низку технологічних і технічних завдань, проте вони не дають змоги аналізувати внутрішні механізми перенесення з метою одержання оптимальних режимів сушіння за показниками якості харчової сировини або економічності процесу, а отже, цілеспрямовано керувати процесом.

Тому першочерговим завданням у зазначеній проблемі є розробка методів аналізу та керування процесом сушіння на підставі загальної фізичної моделі харчової сировини, яка б ураховувала її молекулярно-кінетичні особливості, фізико-хімічні зміни у процесі сушіння та пов'язувала їх з технологічними режимами процесу та параметрами устаткування.

Такий загальний підхід дозволяє ефективно розраховувати раціональні режими сушіння харчової сировини та проектувати нове обладнання. Усе це й стало підставою для вибору теми дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до тематичних планів наукових досліджень кафедри енергетики та фізики ХДУХТ у межах держбюджетних тем: №5-95-97Б “Застосування фізичних методів досліджень для контролю та аналізу процесів технологічної обробки харчових продуктів”, №2-98-01Б “Фізико-хімічні та технологічні проблеми стану води в харчових продуктах”, №15-02-4Б “Проблеми драглеутворення та сушіння харчових продуктів”, №16-05-07Б (№ держреєстрації 0105U002044) “Дослідження фізичних властивостей та процесів переробки харчової сировини”, а також госпдоговірної теми №18-05-06Д (№ держреєстрації 0105U007472) “Розробка проекту технічних умов і технологічної інструкції на подрібнене сушене м'ясо” у межах діяльності Центру сушіння ХДУХТ.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка принципів зниження енергетичних витрат і підвищення якості готової продукції в процесах сушіння харчової сировини шляхом регулювання параметрів сушильного агента на основі фізико-математичної моделі кінетики сполучених процесів перенесення.

Виходячи з мети досліджень, сформульовано наступні задачі:

_ проаналізувати сучасний стан теорії та методів моделювання сполучених явищ переносу в процесах сушіння та виявити науково-технічну проблему;

_ сформулювати та обґрунтувати фізичну модель харчової сировини як об'єкта сушіння на основі молекулярно-кінетичного підходу;

_ розробити молекулярно-кінетичну модель процесів сорбції-десорбції вологи та одержати їх аналітичний опис;

_ обґрунтувати та розробити фізико-математичну модель еволюції структури вологи в процесі сушіння колоїдних капілярно-пористих тіл з урахуванням їх деформування;

_ створити фізико-математичну модель кінетики сполучених процесів перенесення маси, енергії, імпульсу під час сушіння харчової сировини;

_ провести експериментальну перевірку отриманих рівнянь з метою визначення впливу параметрів сушильного агента на коефіцієнти перенесення, тепломасообмінні, структурно-механічні характеристики та кінетику змінювання показників якості харчової сировини в процесі сушіння;

_ розробити концепцію розрахунку раціональних режимів сушіння харчової сировини та алгоритми оптимального керування кінетикою сушіння;

_ розробити методику розрахунку сушильного устаткування, що враховує кінетику фазового складу вологи та гідродинаміку в об'ємі апарата;

_ розробити програмне забезпечення для аналізу кінетики сполучених процесів перенесення та інженерних розрахунків сушильного устаткування;

_ провести впровадження результатів досліджень у виробництво.

Об'єктом дослідження є процес сушіння харчової сировини.

Предметом дослідження є кінетика процесів перенесення маси, енергії, імпульсу під час сушіння харчової сировини.

Методи дослідження представлені стандартними та оригінальними методиками експериментальних досліджень кінетики процесів перенесення, статистичними методами обробки експериментальних даних, аналітичними та чисельними методами розв'язання систем диференціальних рівнянь із використанням обчислювальної техніки.

Наукова новизна одержаних результатів. В основу теоретичних і експериментальних досліджень покладено наукову концепцію: структура та властивості вологи в харчовій сировині є визначальними чинниками сполучених процесів перенесення маси, енергії, імпульсу, кінетика яких зумовлює існування та вибір раціональних технологій сушіння та способів їхньої апаратурної реалізації.

На підставі проведених теоретичних і експериментальних досліджень уперше:

_ розроблено молекулярно-кінетичну модель стану структури вологи як системи слабко взаємодіючих частинок дисперсного середовища у полі сил Ван-дер-Ваальса, що утворене дисперсною фазою, яка є загальною для описання статики, динаміки та кінетики сушіння харчової сировини;

_ обґрунтовано фізичну модель харчової сировини як об'єкта сушіння, засновану на уявленні про гетероенергетичний стан вологи, що дозволяє розділяти механізми внутрішнього масоперенесення для вільної та зв'язаної вологи;

_ доведено, що ефект динамічного структурування вологи, який полягає в змінюванні кількісного співвідношення між вільною та зв'язаною вологою, є визначальним чинником сполучених явищ перенесення маси, енергії, імпульсу та визначає динаміку та кінетику більшості технологічних процесів обробки харчової сировини;

_ доведено, що фізичними характеристиками, які визначають динамічну поведінку вологи, є енергія зв'язку мономолекулярного шару та характеристики пористої структури, які змінюються внаслідок деформації сировини в процесі сушіння;

_ отримано систему диференціальних рівнянь кінетики сполучених процесів перенесення під час сушіння, що заснована на гетероенергетичній моделі структури вологи та реологічній моделі пружно-в'язкого тіла;

_ отримані рівняння, що описують кінетику вільної та зв'язаної вологи, температури, тиску парогазової суміші, деформацій і механічних напружень для випадків низько- і високотемпературного конвективного сушіння харчової сировини;

_ розроблено теоретичні основи планування багатоступеневих режимів сушіння харчової сировини зі змінними параметрами сушильного агента, що засновані на принципі мінімізації цільової функції якості;

_ обґрунтовано та розроблено універсальний підхід до методів розрахунку раціональних режимів сушіння харчової сировини на основі керування кінетикою процесу, що дозволяє прогнозувати якість готової продукції та знижувати енерговитрати.

Практичне значення отриманих результатів полягає у наступному:

_ розробці принципів аналізу процесів попередньої підготовки харчової сировини до сушіння та умов зберігання готової продукції на основі експериментального визначення за ізотермами сорбції-десорбції: енергії зв'язку, структури вологи, параметрів диференціальної функції розподілу капілярів за радіусами;

_ розробці класифікації харчової сировини як об'єкта сушіння за структурно-енергетичним параметром, що являє собою відношення середніх витрат енергії на видалення зв'язаної вологи до витрат на видалення вільної вологи;

_ розробці методів розрахунку тривалості сушіння залежно від параметрів сушильного агента та фізичних характеристик харчової сировини;

_ розробці методики прогнозування змінювання вмісту біологічно активних речовин у процесі сушіння харчової сировини та розрахунку раціональних режимів, що забезпечують мінімально можливі втрати якості сировини за низько- та високо-інтенсивних способів сушіння;

_ розробці двоступеневих технологічних режимів для сушіння харчової сировини, що забезпечують зниження енерговитрат на 10...40% і зменшення втрат вітамінного складу на 10...30%.;

_ розробці універсальних алгоритмів керування кінетикою сушіння харчової сировини за наступними критеріями оптимальності: обмеження за втратами біологічно активних речовин, обмеження за максимальними механічними напруженнями, обмеження за енерговитратами;

_ створенні комплексу програм, що забезпечують визначення фізичних характеристик харчової сировини за даними сорбційних і кінетичних експериментів;

_ розробці комплексу програм для автоматизації інженерних розрахунків сушильного устаткування, включаючи програми моделювання гідродинамічних, теплових і концентраційних полів в об'ємі сушильних установок;

_ розробці конструкцій високоефективного устаткування для сушіння, копчення та гідротермічної обробки харчової сировини, створенні та випробуванні дослідно-промислових зразків та їх серійному виробництві на машинобудівному підприємстві ПП “Технолог” (м. Харків);

_ розробці та впровадженні комплексу програм для автоматизації інженерних розрахунків тепломасообмінного устаткування на підприємстві СП “Венда, ЛТД” (м. Харків);

_ розробці та впровадженні нормативно-технічної документації для виробництва сушеного м'ясного фаршу на підприємстві ТОВ “Золотий Фенікс” (м. Харків).

Особистий внесок здобувача полягає в аналізі стану проблеми, формулюванні наукової концепції та мети досліджень, постановці задач досліджень, складанні програм досліджень, участі у проведенні патентного пошуку та наукових експериментів, обробці дослідних даних, узагальненні отриманих результатів і формулюванні висновків, підготовці матеріалів до публікації та складанні заявок на винаходи, розробці нормативної та проектної документації, а також проведенні заходів із впровадження науково-технічних розробок у виробництво.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися, обговорювалися та були схвалені на Міжнародній конференції “Развитие массового питания, гостиничного хозяйства и туризма в условиях рыночных отношений” (м. Київ, 1994 р.); Науково-технічній конференції “Потребительская кооперация в переходный период. Проблемы и перспективы” (м. Полтава, 1995 р.); ІХ Міжнародній конференції „Удосконалення процесів та апаратів хімічних, харчових та нафтохімічних виробництв” (м. Одеса, 1996 р.); Науково-практичній конференції “Стан і проблеми розвитку торгівлі й харчування в Україні” (м. Харків, 1997 р.); Міжнародній науково-методичній конференції “Стратегічні напрямки розвитку підприємств харчових виробництв і торгівлі” (м. Харків, 2002 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Управлінські та технологічні аспекти розвитку підприємств харчування та торгівлі” (м. Харків, 2003 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов)” (м. Москва, 2002 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “ Актуальні проблеми харчування: технологія та обладнання, організація і економіка” (м. Святогорськ, 2003 р.); Міжнародній конференції “Проблемы промышленной теплотехники” (м. Київ, 2001, 2003, 2005 рр.); IV Міжнародній науково-практичній конференції “Наука і соціальні проблеми суспільства: харчування, екологія, демографія” (м. Харків, 2006 р.); наукових конференціях професорсько-викладацького складу ХДУХТ (1995-2006 рр.).

Зразки розробок було представлено на міжнародних виставках-ярмарках “Наука Харківщини - 2000” (м. Харків, 2000 р.), “Слов'янський базар” (м. Харків, 2000 р.), “Наука Харківщини-2002” (м. Харків, 2002 р.), “Наука Харківщини _ виробництву 2004” (м. Харків, 2004 р.).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 50 наукових праць у тому числі 37 статей (серед яких 25 статей у наукових фахових виданнях, затверджених ВАК України), 1 патент на винахід РФ і 1 деклараційний патент України, 11 тез доповідей на наукових конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 8 розділів, висновків, списку використаних джерел, що включає 308 найменувань, у тому числі 46 іноземних та 6 додатків. Роботу викладено на 348 сторінках, вона містить 146 рисунків, 31 таблицю.

2. Основний зміст

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, викладено наукову концепцію, новизну і практичне значення одержаних результатів, наведено відомості щодо реалізації та апробації роботи.

У першому розділі “Сучасний стан теорії та методів моделювання внутрішніх і зовнішніх процесів перенесення в процесах сушіння харчової сировини” проведено аналіз теорії сушіння харчової сировини. Відзначено, що теорія сполучених явищ перенесення в цей час перебуває на новому етапі розвитку, який характеризується переглядом класичних уявлень про статику, динаміку і кінетику сушіння. Зауважено, що існуючі фізико-математичні моделі динаміки явищ внутрішнього перенесення, засновані на феноменологічних лінійних співвідношеннях Онзагера, не враховують для вологи динамічні ефекти міжфазної взаємодії та адекватну реологічну модель харчової сировини як об'єкта сушіння. Тому на практиці для аналізу процесу сушіння найчастіше використовують різноманітні кінетичні моделі. Показано, що існуючі емпіричні моделі кінетики сушіння мають добру адекватність з експериментальними даними, але не можуть бути використані для наукового аналізу процесу, бо містять коефіцієнти, що не пов'язані з моделями динаміки та статики сушіння.

Наголошено на те, що відсутність фізичних моделей, які б пов'язували кінетику внутрішніх процесів перенесення та змінювання показників якості харчової сировини, стримує розробку нових енерго- та ресурсозберігаючих технологій сушіння та знижує ефективність розробки нового та експлуатацію діючого сушильного устаткування. З огляду на це сформулювано задачі дослідження, що спрямовані на досягнення мети дисертаційної роботи.

У другому розділі “Наукова гіпотеза. Задачі та методики досліджень” обґрунтовано наукову концепцію роботи.

Показано, що головна структурна особливість харчової сировини енергетична неоднорідність вологи всередині колоїдного капілярно-пористого тіла (ККПТ) може бути основою єдиної моделі для статики, динаміки та кінетики сушіння. При цьому найбільш простий і експериментально контрольований спосіб класифікації структури вологи це поділ її на “вільну” і “зв'язану”. Відзначено, що енергія зв'язку вологи та характер пористої структури повинні впливати не лише на теплофізичні, масообмінні та електричні властивості сировини, але й на хімічні, біохімічні та мікробіологічні зміни її в процесі сушіння.

З огляду на це запропоновано гетероенергетичну модель харчової сировини як об'єкта сушіння. На відміну від класичної моделі, де волога вважається енергетично однорідною, запропоновано в явному вигляді враховувати різні механізми масоперенесення вільної та зв'язаної вологи

У такій моделі потоки як вільної, так і зв'язаної вологи описуються класичним дифузійним законом, проте мають істотно різні коефіцієнти масопровідності унаслідок різної енергії активації для вільної та зв'язаної вологи

Існування у відкритій термодинамічній системі компонентів з різним часом релаксації до стаціонарного стану може призводити до нелінійних ефектів їхнього взаємного перетворення. Це безпосередньо випливає із принципу мінімуму виробництва ентропії І. Пригожина, відповідно до якого в гетерогенній відкритій системі повинні виникати внутрішні потоки, що взаємно компенсують один одного. Це зумовлює визначальний вплив еволюції структури вологи на фізико-хімічні властивості харчової сировини у процесі сушіння.

Обґрунтовано використання класичної молекулярно-кінетичної теорії для опису еволюції структури вологи під час сушіння.

Для вирішення комплексу задач, що випливають з висунутої гіпотези, було розроблено нові експериментальні методики кількісного аналізу структури й енергії зв'язку вологи в харчовій сировині на основі методів ЯМР_спектроскопії та низькотемпературної диференціальної калориметрії. Наведено описи оригінальних методик: чисельного моделювання гідродинамічних, теплових і концентраційних полів у робочому об'ємі конвективних сушарок, методики обробки істотно нелінійних математичних моделей для вирішення зворотних задач і задач регресійного аналізу. Описано комплекс програм для автоматизації наукових та інженерних розрахунків.

У третьому розділі “Молекулярно-кінетична модель структури вологи у харчовій сировині” запропоновано структуру вологи характеризувати кількістю “вільної” та “зв'язаної” вологи та її розподілом за енергією зв'язку з дисперсною фазою. При цьому молекулярно-кінетичну модель поведінки у тепло-масообмінних процесах наведено класичною нерівноважною системою слабко взаємодіючих часток, що перебувають у зовнішньому силовому полі сил Ван-дер-Ваальса, що утворене дисперсною фазою. Доведено, що за цих припущень функцією розподілу молекул є функція Максвела-Больцмана.

Обґрунтовано молекулярно-кінетичну границю поділу молекул на “вільні” і “зв'язані”, яка визначається із рівності їх потенційної та кінетичної енергії. За цих умов отримано кількісне співвідношення для розрахунку відносної концентрації зв'язаної вологи

Відносна частина молекул зв'язаної вологи, що містяться в довільному об'ємі тіла V, розраховується наступним чином:

Наведено експериментальні дані, отримані методом ЯМР, та виконано теоретичне обґрунтування виявленого ефекту динамічного структурування вологи, що полягає в зміні кількісного співвідношення між вільною та зв'язаною вологою, зумовленій динамікою температури та деформацій ККПТ в процесі сушіння. Для розрахунку величини зазначеного ефекту запроваджено коефіцієнт динамічного структурування вологи, який вказує на відносну кількість молекул, що змінюють свій енергетичний стан від “вільного” до “зв'язаного” в одиницю часу.

Проведено кількісні розрахунки структури вологи у капілярах різного радіуса та форми. Наведено залежності відносного вмісту вільної та зв'язаної вологи у циліндричних капілярах радіуса за різної температури.

Доведено, що динамічне поводження вологи в сполучених процесах перенесення визначається, у першу чергу, енергією зв'язку мономолекулярного шару та характеристиками пористої структури сировини, зокрема диференціальною функцією розподілу капілярів за радіусами. При цьому деформації внаслідок зсідання або набрякання зумовлюють визначальний вплив на структуру вологи. Оскільки в тепломасообмінних процесах харчової сировини майже завжди змінюється її температура та пористість, то це буде викликати змінювання стану вологи і, як наслідок, збільшення або зменшення енерговитрат на її видалення. Це зумовлює практичне значення вивчення еволюції структури вологи у конкретних способах сушіння.

Виконані розрахунки величини ефекту динамічного структурування вологи для основних способів сушіння: конвективного низькотемпературного та високотемпературного, сублімаційного сушіння та сушіння змішаним теплопідведенням (ЗТП-сушіння). Наведено характерне змінювання концентрації зв'язаної вологи у плоскому фрагменті ККПТ розміром 2020 нм під час сушіння різними способами. Проведені розрахунки показали, що в процесі ЗТП-сушіння кількість зв'язаної вологи зменшується на 10% відносно її первісного вмісту, тоді як у процесі низькотемпературного конвективного сушіння кількість зв'язаної вологи зростає в середньому на 10%. Відповідно до цього пропорційно змінюються загальні енерговитрати на видалення вологи з сировини.

Запропоновані уявлення про структуру вологи покладено в основу молекулярно-кінетичної моделі процесів сорбції-десорбції харчової сировини за наступних припущень: молекули на стінках капілярів циліндричної форми знаходяться у полі сил Ван-дер-Ваальса за розподілом Максвелла-Больцмана, диференціальна функція розподілу пор за радіусами відповідає логарифмічно нормальному розподілу.

З метою практичного застосування цих рівнянь знайдено наближені інженерні формули. Запропоновано методику, що дозволяє вирішувати обернену задачу, тобто за даними лише однієї експериментальної ізотерми сорбції-десорбції отримувати: параметри диференціальної функції розподілу пор за радіусами, максимальний гігроскопічний вологовміст, вологовміст мономолекулярного шару, його енергію зв'язку, кількість вільної та зв'язаної вологи. Це надає можливість вирішувати повний комплекс задач, пов'язаних з аналізом процесів попередньої підготовки харчової сировини перед сушінням та режимів зберіганням готової продукції.

З метою аналізу енерговитрат на процес сушіння запропоновано знаходити середню енергію зв'язку вологи в сировині як осереднене значення за відомою функцією розподілу капілярів за радіусами fП(R*) та енергією зв'язку моношару. Для цього введено безрозмірний структурно-енергетичний параметр , що являє собою відношення середніх витрат енергії на видалення зв'язаної вологи до витрат на видалення вільної вологи:

Цей параметр є індивідуальною характеристикою сировини, бо враховує конкретну структуру її пористості через величину . Це дало можливість класифікувати харчову сировину за структурно-енергетичним параметром, що характеризує додаткові енерговитрати, пов'язані з видаленням зв'язаної вологи. Показано, що найбільші додаткові енерговитрати (до 50% порівняно з витратами на видалення вільної вологи) необхідні під час сушіння макаронних виробів та зернових культур (=0,3…0,5). Середню групу сировини з величиною =0,2…0,29 представляють більшість овочів та деякі крупи, причому для картоплі додаткові витрати енергії найбільші (=0,3). Найменші відносні енерговитрати характерні для фруктів (=0,10…0,19).

У четвертому розділі “Кінетичні рівняння сполучених явищ перенесення для процесу сушіння харчової сировини” запропоновано підхід до складання системи рівнянь кінетики процесів перенесення, заснований на законі збереження фізичної субстанції в інтегральній формі.

Для отримання системи кінетичних рівнянь було застосовано наступні спрощення та допущення, які забезпечують фізично коректний та експериментально адекватний опис кінетики: коефіцієнти перенесення та фізичні характеристики вважаються сталими в процесі сушіння, якщо параметри сушильного агента не змінні; ефект динамічного структурування вологи враховується як внутрішнє джерело (стік) форм зв'язку вологи; у рівнянні теплоперенесення враховується середня енергія зв'язку вологи; приймається реологічна модель пружно-в'язкого тіла в рівняннях перенесення імпульсу; ураховується мінімальна кількість рушійних сил у рівнянні (12).

Доведено, що для зниження тривалості сушіння необхідно використовувати такі технологічні прийоми та режими, які, у першу чергу, призводять до зменшення коефіцієнта динамічного структурування вологи k.

Для основних способів конвективного сушіння встановлено характер впливу коефіцієнтів перенесення та фізичних характеристик на максимальні значення температури, деформації, механічних напружень, надлишкового тиску парогозової суміші у сировині. Знайдено умови отримання сушеної продукції без зсідання в процесі високотемпературного сушіння.

У п'ятому розділі “Використання кінетичних рівнянь для аналізу процесу сушіння харчової сировини” здійснено експериментальну перевірку рівнянь, що описують кінетику сполучених явищ перенесення в процесі сушіння. Показано, що похибка запропонованих кінетичних рівнянь для опису експериментальних даних становить 5...10%. У результаті аналізу численних експериментальних даних одержано кореляцію між кінетичними коефіцієнтами та параметрами сушильного агента: температурою, швидкістю руху, вологістю. Таким чином, доведено можливість використання кінетичних рівнянь для знаходження коефіцієнтів внутрішнього та зовнішнього перенесення, тепломасообмінних та структурно-механічних характеристик харчової сировини та впливу на них технологічних режимів сушіння. Розроблено відповідний алгоритм аналізу кінетичних даних та створено програми для автоматизації їх статистичної обробки.

Проведений аналіз експериментальних даних дозволив уперше за даними кінетики вологовмісту одночасно отримати дані про змінювання структури вологи. Наведено дані про змінювання вмісту зв'язаної вологи в процесі конвективного сушіння картоплі. Порівняння цих даних та даних, отриманих методом ЯМР, які узгоджуються між собою.

Характер цих залежностей підтверджує особливості структури вологи в картоплі, а саме необхідність більших відносних витрат енергії на сушіння порівняно з іншими овочами. Як видно вміст зв'язаної вологи в процесі сушіння картоплі змінюється дуже повільно, що і пояснює більшу тривалість сушіння та додаткові енерговитрати.

Встановлено, що коефіцієнт дифузії зв'язаної вологи зростає з температурою сильніше, ніж коефіцієнт дифузії вільної вологи, що, очевидно, викликано збільшенням рухливості молекул, обмежених силовою взаємодією з дисперсною фазою. Тому за високих температур сушіння вся волога поводить себе як вільна, що є проявою зазначеного вище ефекту динамічного структурування вологи.

Для температурної залежності коефіцієнтів дифузії вільної та зв'язаної вологи овочів знайдено наступну апроксимацію:

Параметри рівняння (28) наведено Встановлено, що величина коефіцієнта динамічного структурування вологи, який показує інтенсивність перетворення форм зв'язку вологи у процесі конвективного сушіння залежить лише від температури сушильного агента та майже не залежить від виду рослинної сировини ), що викликано близькими структурно-енергетичними характеристиками досліджуваних овочів

Таблиця 1 Параметри рівняння температурної залежності коефіцієнта дифузії вільної та зв'язаної вологи в овочах

Сировина	Температура сушильного агента, С	Вільна волога	Зв'язана волога
		, м2/с	n	, м2/с	n
Картопля	40...…120	6,5310-11	10,9	2,7910-11	13,4
	120...…160	2,7910-11	13,4	_	_
Морква	70...…130	7,7910-10	5,47	3,5210-10	7,77
	130...…160	3,5210-10	7,77	_	_
Буряк	70...…130	9,3410-10	4,54	3,6210-10	7,23
	130...…160	3,6210-10	7,23	_	_
Цибуля	70...…120	1,0410-10	6,41	4,5410-11	8,77
	120...…160	4,5410-11	8,77	_	_

Знайдено, що коефіцієнт конвективної фільтраційної дифузії (30) зростає з температурою сушильного агента внаслідок збільшення середнього радіуса капілярів у процесі високотемпературного нагрівання та пов'язаного з цим “набрякання” сировини

Показано, що аналіз кінетики температури дозволяє визначити середню питому енергію зв'язку та середні теплофізичні характеристики харчової сировини в процесі сушіння. Отримані результати наведено в табл. 3. Вони добре корелюють з даними експериментальних теплофізичних вимірювань, що підтверджує адекватність запропонованої наукової концепції.

Таблиця 2 Параметри рівняння температурної залежності коефіцієнта конвективної фільтраційної дифузії вологи в овочах

Сировина	, м2/с		m
Картопля	1,4910-5	13,37	0,89
Морква	6,4610-5	0,67	0,61
Буряк	5,1710-5	2,47	0,73
Цибуля	8,0610-6	4,60	0,85

Таблиця 3 Середні теплофізичні характеристики деяких овочів у процесі сушіння

Сировина	Коефіцієнт теплопровід., Вт/мК	Середня питома теплоємність сТ, Дж/кгК	Середня питома енергія зв'язку, кДж/кг
		m
Картопля	0,30	3,45	3313	68
Морква	0,41	1,77	3568	23
Буряк	0,29	3,49	3526	72

Знайдені залежності дозволяють системно аналізувати технологічні режими сушіння через встановлений зв'язок між параметрами сушильного агента та середніми значеннями коефіцієнтів перенесення та фізичних характеристик сировини з метою вибору раціональних варіантів їх проведення.

У шостому розділі “Раціональні режими сушіння харчової сировини” запропоновано концепцію оптимального керування кінетикою сушіння харчової сировини, яка полягає у цілеспрямованому змінюванні процесних і технологічних чинників з метою підвищення якості готової продукції та зниження енерговитрат. Проаналізовано три найбільш важливих критерії вибору раціональних режимів сушіння: обмеження за втратами біологічно активних речовин, обмеження за максимальними механічними напруженнями, обмеження за енерговитратами.

В основу кінетичної моделі прогнозування якості харчової сировини в процесі сушіння було покладено допущення про те, що реакції з біологічно активними речовинами описуються рівнянням бімолекулярної реакції з константою в класичному максвелівському наближенні. Для кінетики відносної концентрації корисного компонента отримано наступний вираз

концентрації компонента в початковий момент часу, м-3;

0 частотний фактор константи бімолекулярної реакції для початкової температури сировини T0, м3/с;

nv0 концентрація вологи в сировині в початковий момент часу, м-3;

Згідно з (31) кінетика хімічних реакцій визначається константою відповідної реакції та кінетикою сушіння, яка, у свою чергу, визначається режимом сушіння. Встановлено, що характер змінювання залишкової концентрації корисної речовини (тобто її концентрації наприкінці сушіння) із змінюванням температури сушіння може розвиватися за наступними варіантами. Для низькоінтенсивних процесів зі збільшенням температури сушіння втрати корисних речовин будуть зростати. Для високоінтенсивних процесів з підвищенням температури втрати будуть знижуватися, якщо виконується нерівність (32), що можливо для реакцій з не дуже великою енергією активації та в певному діапазоні температур

Хімічні реакції з високою енергією активації для будь-якого процесу теплового сушіння завжди будуть відбуватися зі збільшенням втрат корисних речовин з підвищенням температури сушильного агента.

Зазначене дозволяє знаходити оптимальні режими сушіння, у першу чергу, овочів та фруктів, які містять низку корисних речовин, шляхом аналітичного моделювання заданого способу сушіння з метою мінімізації втрат біологічно активних речовин.

Наведено області існування оптимальних режимів, за яких залишкова концентрація корисного компонента максимальна в процесі високоінтесивних способів сушіння: ЗТП-сушіння, сушіння в киплячому шарі. Втрати вітамінів при цьому не перевищують 10…15% замість 40…60% за умов традиційних низькоінтесивних способів сушіння: в щільному шарі, стрічкове.

Для низькоінтесивних процесів сушіння, які на сьогоднішній день залишаються основними в харчовій промисловості, розроблено алгоритм оптимального багатоступеневого сушіння зі зміною температури сушильного агенту, коли на першому етапі застосовується високотемпературний сушильний агент, а на другому сушіння при помірних температурах. Показано, що під час оптимального режиму зміни температури за вологовмістом між першим і другим етапом втрати речовин на 5...10% нижче, ніж під час використання одноступеневих режимів.

Розроблено раціональні режими сушіння за критерієм обмеження за максимальними механічними напруженнями для виробництва макаронних виробів. Встановлено, що найбільш економічними є двоступеневі режими сушіння макаронних виробів, за яких сушіння на першому етапі відбувається за “жорстких” режимів прямоструменевого сушіння до вологовмісту w=32...35%, за температури 55…60С та =0,55…0,6, а потім у режимі рециркуляції з t=55…60 С та =0,6…0,7. Такі режими дозволяють в 1,5...2 рази скоротити тривалість процесу сушіння без втрати якості макаронних виробів через розтріскування.

Розроблено раціональні режими сушіння за критерієм обмеження енерговитрат. Отримано рівняння для закону оптимальної зміни швидкості сушильного агента, що забезпечує задану кінетику температури та вологовмісту сировини та компенсує тепловтрати. Енергетична ефективність порівняно з режимом сушіння за умов постійної витрати сушильного агента розраховується за формулою:

Таблиця 4 Раціональні режими сушіння овочів за критерієм обмеження втрат біологічно активних речовин

Фактор Больцмана для енергії активації хімічної реакції	Високоінтенсивне сушіння	Низькоінтенсивне сушіння Re=100…200
	ЗТП-сушіння	Сушіння в киплячому шарі Re=2000…3000	Перший етап: =100С
			Другий етап:
=12...13 (морква, буряк, гарбуз)	=75...80С	=125…130С	=0,8...0,82	t=65...70С
=14...15 (картопля)	=70...75С	=120…125С	=0,83...0,85	t=50...55С

Показано, що найбільш економічним технічним рішенням є використання асинхронних електродвигунів, які мають дві стандартні частоти обертання зі співвідношенням 1:2. Розраховано оптимальний момент зниження швидкості обертання електродвигуна, коли енерговитрати на процес сушіння знижуються на 10...40%.

На основі запропонованих критеріїв вибору раціональних режимів було розроблено універсальні алгоритми оптимального керування процесом сушіння харчової сировини у двох модифікаціях. Оптимальне керування кінетикою сушіння алгоритм, що забезпечує виконання заданого критерію оптимізації на основі рівнянь, які зв'язують зміну кінетичних коефіцієнтів з параметрами сушильного агента. Адаптивне-оптимальне керування алгоритм, що відрізняється наявністю адаптивного блоку, який корегує кінетичні коефіцієнти за луною системи “сушильна установка-сировина” на зовнішнє збурення.

Розроблено методику гідродинамічного розрахунку, засновану на чисельному моделюванні поля швидкостей сушильного агента в об'ємі конвективної сушарки. Зокрема, під час проектування рециркуляційних сушарок камерного типу вирішено питання про одержання найкращої рівномірності сушіння у всіх лотках із сировиною. На основі моделювання форми та розмірів бічної стінки сушарки, профілю вхідної швидкості в сушильну камеру, відстані між лотками розраховувався коефіцієнт нерівномірності поля швидкостей сушильного агента, що дозволило визначити оптимальну геометрію вентиляційного тракту за показниками рівномірності нагрівання та металоємності конструкції.

Створено комплекс програмного забезпечення для автоматизації інженерних розрахунків сушарок.

У восьмому розділі “Практична реалізація науково-технічних розробок” показано, що економічні переваги запропонованого аналітичного підходу до проектно-конструкторських і технологічних розробок порівняно із традиційним емпірично-аналітичним підходом полягають в істотному зниженні строків розробок і фінансових витрат. Крім того, на сьогоднішній день це єдиний можливий спосіб підвищити ефективність роботи вже існуючого сушильного устаткування за рахунок кінетичної оптимізації технологічних режимів.

Упроваджено у виробництво комплекс програм для автоматизації наукових і інженерних розрахунків тепломасообмінного устаткування. Розроблено та впроваджено у виробництво серію нових сушильних та коптильних установок камерного типу з продуктивністю від 20 до 200 кг/год сировини. Відмінною рисою цього устаткування є потужна аеродинамічна система з оптимальною конфігурацією вентиляційних каналів, можливість регулювання вологості середовища, електронний блок керування, модульно-збірна конструкція корпуса. Це дозволяє використовувати сушильні установки в широкому діапазоні технологічних режимів від прямострумененевого сушіння до термовологісної обробки.

Коптильні камери для гарячого та холодного копчення продуктів обладнані димогенератором із системою очищення диму. Камери для гарячого копчення мають електричний парогенератор для варіння виробів. Усі розроблені установки керуються універсальним електронним блоком, що реалізує, в тому числі, розроблені двоступеневі технологічні режими.

Проведено випробування та впровадження у виробництво проектно-технічної документації, технологій і устаткування. Визначено перспективні напрямки розвитку методів оптимального керування процесами сушіння для різноманітного асортименту харчової сировини.

Висновки

1. Аналізом літературних джерел встановлено, що актуальною проблемою є пошук нових методів вирішення комплексу задач теорії сполучених явищ перенесення, які дозволяють оптимізувати процес сушіння за енерговитратами, прогнозувати якість продукції та знизити собівартість процесу розробки нових технологій і устаткування. Відсутність єдиної фізичної моделі харчової сировини для статики, динаміки та кінетики сушіння є науковою суттю зазначеної проблеми. Показано, що основою такої моделі може бути найбільш характерна структурна особливість колоїдних капілярно-пористих тіл наявність двох істотно різних структур вологи вільної та зв'язаної.

2. Показано, що у межах молекулярно-кінетичних уявлень вологу в гетерогенних системах можна розглядати як систему слабко взаємодіючих частинок, що перебувають у полі сил Ван-дер-Ваальса. При цьому молекулярно-кінетична границя поділу молекул на “вільні” і “зв'язані” визначається із рівності їх потенційної та кінетичної енергії, а їх кількісне співвідношення обчислюється за розподілом Максвела-Больцмана.

3. Розроблено молекулярно-кінетичну модель процесів сорбції-десорбції вологи, на основі якої виведено рівняння ізотерм колоїдного капілярно-пористого тіла, що враховує структури вологи, її енергію зв'язку та диференціальну функцію розподілу капілярів за радіусами. Експериментальною перевіркою підтверджено адекватність моделі, що описує експериментальні ізотерми з похибкою 4...8%. Запропоновано класифікацію харчової сировини як об'єкта сушіння за структурно-енергетичним параметром, що являє собою відношення середніх витрат енергії на видалення зв'язаної вологи до витрат на видалення вільної вологи та враховує особливості капілярно_пористої структури сировини.

4. Теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено ефект динамічного структурування вологи, що полягає у зміні кількісного співвідношення між вільною і зв'язаною вологою, яку викликають сполучені процеси перенесення. Показано, що зсідання та зниження температури сировини призводить до збільшення частини зв'язаної вологи, а набрякання та збільшення температури до зростання частини вільної вологи. Запроваджено коефіцієнт динамічного структурування вологи, який вказує на відносну кількість молекул, що змінюють свій енергетичний стан в одиницю часу.

5. Розроблено підхід до складання системи диференціальних рівнянь кінетики сполучених процесів перенесення, заснований на законі збереження фізичної субстанції в інтегральній формі, принципі суперпозиції для експериментально значимих потоків і феноменологічних співвідношень між густиною потоку та потенціалом перенесення. Отримано систему диференціальних рівнянь кінетики сполучених процесів перенесення маси, енергії та імпульсу для колоїдного капілярно-пористого тіла, засновану на гетероенергетичній моделі структури вологи та реологічній моделі пружно-в'язкого тіла. Знайдено її аналітичне рішення та отримано рівняння для визначення кінетики вільної, зв'язаної вологи, температури, деформації та механічних напружень, тиску парогазової суміші.

6. Експериментальною перевіркою підтверджено адекватність рівнянь, що описують кінетику сполучених явищ перенесення в процесі сушіння харчової сировини з похибкою 5...10%. На підставі аналізу експериментальних даних отримано аналітичні залежності, що пов'язують коефіцієнти перенесення маси, енергії, імпульсу, тепломасообмінні, структурно-механічні характеристики харчової сировини та параметри сушильного агента, що дозволяє аналізувати та керувати кінетикою сушіння .

7. Розроблено концепцію оптимального керування кінетикою сушіння харчової сировини, що полягає у виборі параметрів сушильного агента, які забезпечують мінімізацію однієї з трьох цільових функцій: обмеження за втратами біологічно активних речовин, обмеження за максимальними механічними напруженнями, обмеження за енерговитратами. Отримано аналітичні рівняння, що дозволяють розраховувати змінювання концентрації біологічно активних речовин за відомою кінетикою тепло-масообмінних процесів. Визначено оптимальні багатоступеневі режими для низькоінтенсивних та високоінтенсивних способів сушіння харчової сировини.

8. Розроблено методики, що підвищують точність інженерних розрахунків під час проектування сушильного устаткування: теплового розрахунку сушильних установок, яка враховує кінетику вільної та зв'язаної вологи; гідродинамічного розрахунку, яка враховує розподіл швидкостей потоку в об'ємі сушарки.

9. Створено комплекс програмного забезпечення для обробки експериментальних даних ізотерм сорбції-десорбції, кінетики вологовмісту, температури, тиску, деформації в процесі сушіння, автоматизації розрахунку матеріального балансу сушильних установок на основі електронної I_d діаграми, автоматизації теплового та гідродинамічного розрахунків конвективних сушильних установок різних типів.

10. Розроблено конструкції високоефективного устаткування для сушіння, копчення та гідротермічної обробки харчової сировини. Створено та випробувано дослідно-промислові зразки цього устаткування та розпочато їх серійне виробництво на машинобудівних підприємствах. Здійснено заходи щодо упровадження раціональних режимів сушіння у вигляді нормативно-технічної документації на нові види сушеної продукції. Проведено апробацію виконаних досліджень на науково-практичних конференціях, промислових підприємствах, виставках-ярмарках.

11. Показано, що економічний ефект від впровадження оптимальних за енергозбереженням режимів сушіння складає 31,7 тис. грн для лінії з виробництва макаронних виробів продуктивністю 160 кг/год. Під час сушіння овочів за раціональними режимами втрати вітамінів знижуються на 20…30% у високоінтенсивних способах сушіння та на 5…10% у низькоінтенсивних порівняно з традиційними режимами сушіння.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Погожих Н.И., Потапов В.А. Рациональные режимы и условия процесса СТП-сушки овощей// Новые технологии пищевых производств и актуальные проблемы развития торговли и общественного питания: Сб. научн. тр. _ Харьков: ХГАТОП, 1995. _ С. 228-230.

2. Погожих Н.И., Потапов В.А, Сомов А.С. Экспериментальная установка для моделирования процесса СТП-сушки// Новые технологии пищевых производств и актуальные проблемы развития торговли и общественного питания: Сб. научн. тр. - Харков: ХГАТОП, 1995. _ С. 268-269.

3. Черевко А.И., Погожих Н.И., Потапов В.А., Иващенко С.С. Влияние степени заполнения функциональных емкостей на производительность процесса СТП- сушки// Актуальні науково-методичні проблеми в підготовці спеціалістів вищої кваліфікацій для торгівлі і харчування: Зб. наук. пр. _ Харків: ХДАТОХ, 1997. _ Ч.1. _ С. 157-161.

4. Погожих Н.И., Цуркан Н.М., Потапов В.А. Исследование процесса сушки материалов смешанным теплоподводом вблизи критических режимов// Актуальні науково-методичні проблеми в підготовці спеціалістів вищої кваліфікаціїї для торгівлі і харчування: Зб. наук. пр. _ Харків: ХДАТОХ, 1997. _ Ч.1. _ С. 343-346.

5. Потапов В.А. Кинетическое уравнение сушки с учетом неизотермической массопроводности// Актуальні науково-методичні проблеми в підготовці спеціалістів вищої кваліфікацій для торгівлі і харчування: Зб. наук. пр. _ Харків: ХДАТОХ, 1997. - Ч.1. _ С. 353-355.

6. Погожих Н.И., Сомов А.С., Потапов В.А. Новая технология сушки пищевых продуктов// Придніпровський науковий вісник. Сер. Машинобудування. _ Дніпропетровськ: Наука і освіта, 1997. _ С. 1-3.

7. Черевко А.И., Погожих Н.И., Потапов В.А., Иващенко С.С. Новая технология сушки пищевых продуктов// Питание и общество. _ 1997. _ №3. _ С. ЗЗ-35.

8. Потапов В.О. Метод визначення параметрів суттєво нелінійних емпіричних залежностей// Прогресивні ресурсозберігаючі технології та їх економічна обґрунтованість у підприємствах харчування. Економічні проблеми торгівлі: Зб. наук. пр. _ Харків: ХДАТОХ, 1998 _ Ч.1. _ С. 84-87.

9. Погожих Н.И., Потапов В.А., Цуркан Н.М. Анализ кинетики СТП-сушки при переменных режимах// Прогресивні ресурсозберігаючі технології та їх економічна обґрунтованість у підприємствах харчування. Економічні проблеми торгівлі: Зб. наук. пр. _ Харків: ХДАТОХ, 1998. _ Ч.1. _ С. 117-120.

10. Погожих Н.И., Сомов А.С., Потапов В.А. Распределение статического давления на поверхности функциональной емкости// Прогресивні ресурсозберігаючі технології та їх економічна обґрунтованість у підприємствах харчування. Економічні проблеми торгівлі: Зб. наук. пр. _ Харків: ХДАТОХ, 1998. _ Ч.1. _ С. 140-143.

11. Цуркан Н.М., Погожих Н.И., Потапов В.А. Влияние степени заполнения функциональных емкостей на кинетику СТП-сушки// Нові технологи та удосконалення процесів харчових виробництв: Зб. наук. пр. _ Харків: ХДАТОХ, 1999. _ С. 171-174.

12. Потапов В.А. О влиянии молярного переноса на кинетику сушки капиллярно-пористых материалов// Нові технології та удосконалення процесів харчових виробництв: Зб. наук. праць _ Харків: ХДАТОХ, 1999. _ С. 162-168.

13. Цуркан Н.М., Погожих Н.И., Потапов В.А. Экспериментальный метод определения эффективных теплообменных характеристик капиллярно-пористых тел// Технологии в машиностроении: Вестник ХГПУ. _ Харьков: ХГПУ, 2000. _ Вып. 89. _ С. 57-60.

14. Погожих Н.И., Сомов А.С., Потапов В.А. Гидравлические характеристики канала сушильного агента для СТП-сушки// Прогресивні технології та удосконалення процесів харчових виробництв: Зб. наук. пр. _ Харків: ХДАТОХ, 2000. _ Ч.2. _ С. 185-190.

15. Потапов В.А. Феноменологическая система уравнений кинетики сушки капиллярно-пористых коллоидных материалов//Прогресивні технології та удосконалення процесів харчових виробництв: Зб. наук. пр. _ Харків: ХДАТОХ, 2000. _ Ч.2. _ С. 49-53.

16. Погожих Н.И., Цуркан Н.М., Потапов В.А. Влияние размеров функциональной емкости на продолжительность СТП-сушки// Прогресивні технології та удосконалення процесів харчових виробництв: Зб. наук. пр. _ Харків: ХДАТОХ, 2000. _ Ч.2. _ С. 134-137.