Наукові основи теорії та техніки сушіння харчової сировини у масообмінних модулях: автореф. дис. на здобуття наук. ступеня д-ра техн. наук: 05.18.12 – процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв

Abstract

Дисертацію присвячено розробці теорії сушіння у масообмінних модулях, теоретичному та експериментальному обґрунтуванню раціональних режимів виробництва асортименту сушених харчових продуктів. На підставі положень нерівноважної термодинаміки знайдено умови, за яких процеси тепло- і масообміну при сушінні можуть бути значно інтенсифіковані. Реалізувати ці умови запропоновано у масообмінному модулі, який є моделлю реальних пристроїв. У разі використання гарячого повітря, як теплоносія, цей пристрій названо функціональною місткістю (ФМ), а спосіб - сушіння змішаним теплопідводом (ЗТП). Доведено, що ФМ із сировиною треба розглядати як об’єкт сушіння, а кінетика і критичні особливості процесу залежать як від зовнішніх, так і від внутрішніх чинників здійснення процесу. Встановлено, що гідродинаміка обтікання масообмінного зазору ФМ є визначальним чинником процесу. Термодинамічна модель процесу стверджує, що ФМ має два стани, один з яких хитливий з максимумом вільної енергії, а другий - стійкий з мінімумом вільної енергії. Наведена модель формулює принцип сушіння у ФМ: створення зовнішніх умов для переходу системи зі слабовідкритого у відкритий стан; створення внутрішніх умов для підтримки нерівноваги на відрізку часу, достатньому для повного здійснення процесу. Перше стосується задач сушильної техніки, друге - технології сушіння. Дослідженнями і впровадженнями у виробництво доведено високу ефективність ЗТП- сушіння.

Диссертация посвящена разработке теории процесса сушки в массообменных модулях, создания научной концепции расчетов сушилок с массообменными модулями, теоретическому и экспериментальному обоснованию рациональных режимов производства ассортимента сушеных пищевых продуктов. С этой целью выдвинута гипотеза о возможности и эффективности осуществления обезвоживания сырья через состояние с максимумом свободной энергии. На основании положений неравновесной термодинамики определены условия, при которых процесс теплои массообмена при сушке может быть значительно интенсифицирован. Реализовать все эти условия предложено в так называемых массообменных модулях, типы которых являются моделями реальных устройств. В случае использования горячего воздуха, как теплоносителя, эти устройства названы функциональными емкостями (ФЕ), а способ - сушка смешанным теплоподводом (СТП). Приведена классификация типов массообменных модулей и видов функциональных емкостей. Изучением кинетики сушки пищевого сырья найдено, что основное влияние на сушку в индивидуальных ФЕ оказывает природа исходного сырья, а на сушку в двусторонних и односторонних ФЕ - скорость и температура сушильного агента, геометрические размеры ФЕ, измельчение и степень заполнения ФЕ. Доказано, что ФЕ с материалом, который обезвоживается, следует рассматривать как объект сушки, а кинетика и критические особенности процесса зависят как от внешних, так и от внутренних факторов процесса. При этом если теплофизические свойства различных видов сырья, обезвоживаемого в ФЕ, близки, то продолжительность сушки не зависит от вида сырья. Этот факт обусловлен тем, что сам обезвоживаемый материал определяет лишь внутренние тепломассообменные характеристики объекта сушки. Получены уравнения для определения величины коэффициента теплопередачи в процессе сушки. Введены безразмерные комплексы, которые отображают влияние энтальпии поступающего во внутрь ФЕ сушильного агента и развивающегося пористого пространства за счет объемной усадки сырья. Доказано, что коэффициент теплоотдачи горячего воздуха можно рассчитывать как для “сухого” теплообмена. Установлено, что гидродинамика обтекания массообменного зазора ФЕ является определяющим фактором процесса сушки в массообменных модулях. Получено уравнение, отображающее феноменологическое требование к скорости потока воздуха вблизи массообменных зазоров ФЕ. Предложенная термодинамическая модель процесса сушки в массообменных модулях основана на том, что система “ФЕ + обезвоживаемый материал” имеет два состояния, одно из которых неустойчивое с максимумом свободной энергии, а второе устойчивое с минимумом свободной энергии. Первое состояние характерно для начального периода сушки и является чувствительным по отношению к условиям проведения процесса. Анализом модели установлено, что в процессе сушки не может существовать периода постоянной скорости или его продолжительность мала, а основными условиями протекания процесса являются флуктуации внешней среды вблизи массообменного зазора и в сырье внутри ФЕ. Введение функции развития поверхности испарения (диссипативных структур) дало возможность прогнозировать и выполнять численную оценку равномерности обезвоживания и кинетики температуры сырья по зонам. Полная физическая модель процесса формулирует принципы сушки в ФЕ: создание внешних условий для перехода системы из слабооткрытого в открытое состояние; создание внутренних условий для поддержания неравновесия на отрезке времени, достаточном для полного осуществления процесса. Первый принцип относится к задачам сушильной техники, второй - к технологии сушки. С помощью модели объяснены такие особенности процесса, как блокировка, срыв и трансформация в конвективную сушку. Исследованиями показателей качества сушеной продукции установлено, что щадящее влияние процесса на содержание биологически активных веществ обусловлено низким интегральным температурным воздействием на сырье, малой продолжительностью и отсутствием непосредственного контакта с потоком сушильного агента. Определены предельно допустимые температуры сушки, которые обеспечивают сохранность цветовой гаммы продукции. Показано, что рациональные режимы сушки различных материалов характеризуются затратами энергии от 7,5 МДж до 24,0 МДж на 1 кг сушеного продукта. Разработано технико-экономическое обоснование создания предприятия для производства высококачественных сушеных пищевых продуктов. Ожидаемая прибыль 45000...50000 усл.ед. Срок реализации проекта - 6...8 месяцев. Срок окупаемости капиталовложений - 10...13 месяцев. Проведены испытания и внедрение в производство технологий, проектно-конструкторской документации и сушильного оборудования. Определены перспективные направления развития СТП- технологий для производства широкого ассортимента пищевой продукции.

The thesis is devoted to elaboration of the theory of drying process in masstransfer modules, theoretical and experimental basing of rational processing of dried food assortment. On the bases of regulations irreversible thermodynamics found the conditions, with which the process of heat and masstransfer can be considerably intensified. It is proposed to effect these conditions in the so called masstransfer modules, which are the models of real devices. In the case of using of hot air as dryers agent this device is called functional capacity (FC) and the method - drying by mixed heattransfer (MHT). It has been proved, that FC with the raw material, should be investigated as a drying object, and kinetics and critical peculiarities of the process depend both on external and internal factors of the process realization. It has been determined, that hydrodynamics of the flow masstransfer gap of FC is the attributive drying factor. Thermodynamics model of the drying process based on the fact, that FC has two conditions: one of which unstable with maximum of free energy the other one is stable with minimum of free energy has been suggested. The full physical model formulates the principle of the drying in FC: the creation of external conditions for transition of system from weak-open to open condition; creation of internal conditions for maintenance of unequilibrium on interim, which is sufficient for realization of the process to end. The first refers upon tasks of the drying engineering, the other one - to the drying technology. By researches and inculcation’s into production effectiveness MHT- drying has been proved.