Розробка наукових основ індукованого тепломасообміну та його використання в процесах та обладнанні харчових виробництв: дис. на здобуття наук. ступеня д-ра техн. наук: 05.18.12 - Процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв

Abstract

У вступі сформульовано актуальність обраної теми, обґрунтовано необхідність проведення комплексних фундаментальних досліджень із розвитку теоретичних основ індукованого тепломасообміну (ІнТМО). Сформульовано мету та завдання дослідження, наукову новизну та практичне значення отриманих результатів. У першому розділі обґрунтовано перспективність пошуку індукованих процесів, одним із яких є ефект ІнТМО. Визначено низку особливостей протікання ІнТМО, фізичний механізм яких залишається недостатньо розкритим. Установлено, що необхідність розвитку теоретичних основ ефекту ІнТМО та його моделювання полягає в тому, що розробка феноменологічних фізичних і фізико-математичних моделей для описання кінетичних та динамічних закономірностей, механізмів та рушійних сил ІнТМО надасть можливість виявити перспективи його використання в різних технологіях та техніці й ефективно керувати ним відповідно до обраної мети його застосування з отриманням заданих результатів або продукції із заданими властивостями. У другому розділі сформульовано гіпотезу ефекту ІнТМО. Установлено, що ефект ІнТМО спостерігається в термостаті. У виділеному об’ємі всередині термостата знаходяться рідина і газ, також може міститися суха речовина. Тиск у термостаті постійний і дорівнює атмосферному. Із навколишнім середовищем термостат сполучається через обтюратор, що являє собою отвір у термостаті, із розміщеним у ньому капілярно-пористим тілом. Для активації ефекту ІнТМО використовується механічна енергія потоку повітря, який рухається відносно зовнішньої поверхні обтюратора. Сам ефект ІнТМО полягає в переході системи від нестійкої рівноваги до стійкої, який супроводжується розсіюванням теплоти за рахунок переходу рідкої фази в термостаті в газовий стан та її видалення через обтюратор. Необхідними і достатніми умовами для спостереження і регулювання ефекту ІнТМО є наступні. 1. Наявність флуктуацій газу в об’ємі обтюратора. 2. Тепловміст термостата має бути настільки великим, щоб компенсувати теплоту, винесену з термостата парою рідини, що випарувалася. 3. Ефект спостерігається за кінцевий проміжок часу. 4. Флуктуації в об’ємі обтюратора можуть бути просторові і часові. Стан газового середовища термостата описується замкнутими лініями навколо атрактора рівного постійній Больцмана. 5. За флуктуації температури обтюратор повинен мати здатність «виносу» рідини за рахунок капілярних сил в навколишнє середовище. 6. Температура термостата може бути будь-якою, при цьому температура рідини знаходитися всередині її граничного циклу. Виходячи із законів збереження, для ІнТМО установлено, що потік маси з термостата індукує потік теплоти до його внутрішнього середовища. Саме цей факт визначає ефективність розсіювання енергії під час ІнТМО. З огляду на вищевикладене, наукова концепція роботи полягає у такому: теорія – індукування тепломасообміну в термостаті з обтюратором флуктуаціями параметрів газу в обтюраторі сприятиме ефективному розсіюванню енергії на випаровування рідини в термостаті; техніка – термостат з обтюратором, що містить рідину та (або) вологе колоїдне капілярно-пористе тіло, являє собою керований тепломасообмінний апарат для харчової промисловості. У третьому розділі проведено аналіз процесу тепломасообміну в термостаті методом фазового простору, за яким встановлено, що система «навколишнє середовище – внутрішнє середовище термостата» є проточною по відношенню до теплової енергії та маси системою, у якій спостерігаються процеси самоорганізації, що в сукупності зумовлює ефективне розсіювання теплової енергії за рахунок фазових переходів І роду. Установлено, що одним із параметрів порядку ефекту ІнТМО є здібність рідини всередині термостата переходити до газового стану, обумовлена взаємодією її з сухими речовинами. З огляду на це, для рідини всередині термостата введено поняття «системна рідина» або «системна вода». Досліджено системну воду сировини, для якої тепломасообмін є частиною технологічної обробки. Установлено, що внесення таких добавок, як пектин, цукор, еламін, крохмаль, концентрати тваринних білків (Сканпро 91, 95), напівфабрикат кістковий харчовий у плодово-ягідну сировину та сировину тваринного походження приводить до зменшення на 10…20% кількості системної води, яка бере участь у ІнТМО. Відзначено, що частина системної води, яка не випаровується за температури менше ніж 100 °С, не замерзає за температури 0 °С, не витікає тощо, визначає вимоги до умов зберігання харчової сировини та продуктів. Для дослідження динамічної поведінки системної води харчових систем під час ІнТМО розроблено нову методику аналізу ЕПР-спектрів. Дослідженнями за цією методикою модельних тіл з крохмалю і з клейковини встановлена наявність двох форм зв'язку системної води з сухими речовинами даних модельних тіл. При цьому зміна тангенсів кута нахилу від молярної маси крохмалю і від його мольної концентрації в модельних тілах, доводить наявність як мінімум трьох структур системної води. Отримані результати є вихідними для управління рівновагою між фазами в термостаті. Досліджено ІнТМО в прототипі апарата для випарювання, концентрування та згущення, який є найпростішим варіантом організації цього ефекту та являє термостат з обтюратором, що утримує рідину та газ. Візуальним спостереженням та за кінетиками температури складових внутрішнього середовища термостата під час ІнТМО, де як рідка фаза почергово використовувалися етиловий спирт та вода, встановлена неможливість досягнення рідиною у внутрішньому середовищі термостата температури кипіння за умови протікання ІнТМО. Моделюванням ІнТМО за наявності твердої, рідкої та газової фаз усередині термостата з розривами між фазами встановлений основний параметр порядку ефекту ІнТМО – наявність суцільності газового середовища всередині термостата за парціальним тиском пари рідини. Встановлено, що продуктивність термостата за випаруваною рідиною визначається продуктивністю обтюратора, яка є одним із чинників, за допомогою якого можливе керування ІнТМО на практиці. Розрахунками показано: питома продуктивність робочої поверхні термостата в 1,7 разу більша порівняно з продуктивністю випаровування з відкритої поверхні води за тих же температури (75 °С) та швидкості руху (v=10 м/с) над поверхнею, що вигідно вирізняє ІнТМО. Моделювання сушіння та гідротермічної обробки з ІнТМО сировини з високою поруватістю або високим ступенем усадки (об’єм пустот – 30…50% об’єму термостата) встановлено, що характер ІнТМО за наявності розривів в твердій фазі не відрізняється від характеру ІнТМО за їх відсутності. Такий же результат отриманий і під час моделювання обробки з ІнТМО сировини з частинками, що мають газонепроникні включення. Моделюванням ІнТМО за горизонтальної орієнтації сировини з газонепроникними включеннями встановлено, що різні шари колоїдного капілярно-пористого тіла досягли рівноважного вологовмісту з різницею тривалості в 10% загальної тривалості процесу тепломасообміну, що доводить: границя розділу «навколишнє середовище – внутрішнє середовище термостата» знаходиться в об’ємі обтюратора. Моделюванням вертикальної орієнтації сировини з газонепроникними включеннями доведено: під час ІнТМО має місце спрямованість характеру протікання процесу тепломасообміну. Наявність спрямованості процесу тепломасообміну є ознакою керованості ІнТМО та його універсальності по сировині. Розрахунком теплового балансу ІнТМО установлено, що під час даного ефекту наявний дефіцит теплоти, який становить 25…30% від необхідної кількості. Відзначено, що спостережуваний факт свідчить про виконання роботи над системою, яка індукується потоком повітря, який рухається відносно обтюратора термостата. Доведено: робота потоку повітря, що рухається відносно обтюратора, є тим керуючим параметром, за допомогою якого організовується «запуск» ІнТМО. Доведено, температура і витрати повітря, що рухається відносно термостата, не чинять істотного впливу на характер ІнТМО і не є баластом енергії. Дослідженнями кінетики потоку теплоти, яка витрачається всередині термостата, за різної швидкості потоку повітря встановлено, що інтенсивність ІнТМО може регулюватися в межах 15...20% швидкістю потоку повітря (від 4 до 13 м/с), що рухається відносно обтюраторів. Визначено, що для кутів обдування від 35° до 55° енергоефективність ІнТМО менша у 2 рази порівняно з кутами 0° та 90°, за яких досягається найбільша енергоефективність. У четвертому розділі теоретичними дослідженнями виявлені особливості механізму та рушійних сил ІнТМО. Отримано наближений розв’язок задачі про розподіл температури та вологовмісту в термостатах циліндричної та паралелепіпедної форми за межових умов третього та першого роду методом R-функцій сумісно з методом малого параметра та сумісно з проекційним методом Бубнова–Гальоркіна. Відзначено, що застосування розроблених моделей, які базуються на класичних диференціальних рівняннях тепломасообміну, навіть із застосуванням R-функцій, не відтворює ефект ІнТМО. Обґрунтовано фізико-математичне моделювання ІнТМО як вирішення теплової задачі, а не тепломасообмінної. Вирішенням рівняння теплопровідності відносно функції розвитку потужності дисипативних структур усередині термостата під час ІнТМО, за допомогою якої враховується масообмін, знайдено її аналітичний вигляд. Доведена коректність уведення даної функції для описання ІнТМО та інженерних розрахунків апаратів із варіюванням параметрів порядку та керуючих параметрів ІнТМО. У п’ятому розділі визначено вимоги до елементів конструкції апаратів з ІнТМО. Розроблено концептуальні рішення конструкцій апаратів з ІнТМО для виконання наступних технологічних операцій, які застосовуються в харчовій промисловості: сушіння; гідротермічна обробка; випарювання, концентрування або згущення; охолодження та термостатування; ректифікація, перегонка або дистиляція. Відмічено, що наведені рішення апаратів з використанням ІнТМО є універсальними. Їх універсальність полягає в можливості використання одного апарата для виконання будь-якої із описаних технологічних операцій за мінімальних конструкційних змін у наявному апараті. На основі концептуальних рішень розроблено апарат безперервної дії для гідротермічної обробки круп з ІнТМО, де кінцевою продукцією є швидковідновлювані каші, що не потребують варіння. Розраховано апарат для гідротермічної обробки круп з ІнТМО за емпіричними і стандартними рівняннями теплового й масового балансів з урахуванням особливостей ефекту, що використовується. Розрахунками доведено, що економічний ефект розробки досягається за рахунок скорочення кількості використовуваних технологічних операцій, виконання основних операцій в одному апараті та за рахунок скорочення енерговитрат на одиницю продукції більш ніж у 1,3 разу у порівняно з традиційними способами. При цьому в апараті можна проводити гідротермічну обробку, сушіння, термостатування, випарювання за умови використання відповідного тепломасообмінного модуля, що доводить його універсальність. Розробки підтверджені патентом України на корисну модель «Установка для гідротермічної обробки та сушіння крупи». Розроблено проект ТУ У «Каші швидковідновлювані». У шостому розділі дослідженнями окремих функціонально-технологічних властивостей та показників якості продукції, отримуваної після таких технологічних операцій, як сушіння, гідротермічна обробка та випарювання з ІнТМО, доведено високу якість отримуваної продукції порівняно з аналогічною продукцією, що отримується традиційними способами. Виконання означених технологічних операцій проводилися у створених прототипах термостатів, конструкція яких обумовлена змістом операції, що виконується. Результати, отримані в роботі, пройшли апробацію на ТОВ «Терра», ТОВ «Спільне україно-німецьке підприємство «Злаки», ПСП ім. Т.Г. Шевченка. Результати досліджень упроваджені в навчальний процес ХДУХТ.

In the introduction the relevance of the chosen topic is formulated, the necessity of carrying out complex fundamental researches on the development of theoretical foundations of induced heat and mass transfer (hereinafter referred to as InHMT) was substantiated. The purpose and tasks of the research, scientific novelty and practical importance of the obtained results are formulated. In the first chapter the availability of the search for induced processes, one of which is the effect of the InHMT, is substantiated. A number of peculiarities of the InHTM leakage are determined, the physical mechanism of which remains undiagnosed. It is established that the necessity of development of the theoretical foundations of the InHMT effect and its modeling is that the development of phenomenological physical and physical-mathematical models for describing the kinetic and dynamic patterns, mechanisms and driving forces of InHMT will enable to identify the availability of its use in various technologies and techniques and effectively manage it according to the chosen purpose of its application to obtain the given results or products with the given properties. In the second chapter the hypothesis of the InHMT effect is formulated. It is established that the effect of InHMT is observed in a thermostat. In the allocated volume inside the thermostat are liquid and gas, or it may contain a dry substance. The pressure in the thermostat is constant and equals the atmospheric pressure. With the environment the thermostat is connected through a obturator, which is a hole in the thermostat, with a capillary-porous body in it. The InHMT effect are activated by the mechanical energy of the air flow, which moves relative to the outer surface of the obturator. The InHMT effect itself consists in the evolve of the system from the unstable equilibrium to the stable, which is accompanied by the dissipation of heat due to the transition of the liquid phase in the thermostat to the gas state and its removal through the obturator. Necessary and sufficient conditions for observing and regulating the effect of InHMT are as follows. 1. The presence of fluctuations in the volume of the obturator. 2. The heat content of the thermostat should be so large as to compensate for the heat that has passed from the thermostat with a vapor of evaporated liquid. 3. The effect is observed for the final time interval. 4. Fluctuations in volume of the obturator can be spatial and temporal. The state of the gas environment of the thermostat is described by closed lines around the attractor of equal Boltzmann constant. 5. At temperature fluctuations, the obturator must have the ability to "remove" the liquid due to capillary forces in the environment. 6. The temperature of the thermostat can be any one, with the temperature of the liquid inside its boundary cycle. Based on the conservation laws, for InHMT it has been established that the mass flow from the thermostat induces a flow of heat to its internal environment. It is this fact that determines the efficiency of energy dissipation during the InHMT. In view of the above, the scientific concept of the work is as follows: the theory – the induction of heat and mass transfer in a thermostat with the obturator by the fluctuations of the parameters of the gas in the obturator will contribute to the efficient dissipation of energy for the evaporation of the liquid in the thermostat; the technique – thermostat containing a liquid and (or) a wet colloidal capillary-porous body with the obturator is a controlled heat and mass transfer apparatus for the food industry. In the third chapter an analysis of the heat and mass transfer process in the thermostat by the phase space method has been carried out, which states that the system "the environment – the internal environment of the thermostat" is running in relation to the thermal energy and mass of a system, in which there are processes of self-organization, which collectively leads to efficient dissipation of thermal energy due to phase transitions of the first order. It is established that one of the parameters of the order of the effect of InHMT is the ability of the fluid inside the thermostat to pass to the gas state, due to its interaction with dry substances. In view of this, the term "system fluid" or "system water" is introduced for the liquid inside the thermostat. The system water of raw materials, for which heat and mass transfer is a part of technological processing, is investigated. The introduction of such additives as pectin, sugar, elamine, starch, concentrates of animal proteins (Scanpro 91, 95), semi-finished bone meal in fruit materials and raw materials of animal origin has resulted in a decrease by 10...20% of the amount of system water, which participates in InHMT. It is noted that part of system water that does not evaporate at temperatures below 100 °С does not freeze at 0 °С, does not flow, etc., defines the requirements for the conditions of storage of food raw materials and products. To study the dynamic behavior of system water of food systems during the InHMT, a new method for analyzing EPR-spectra was developed. Investigations on this technique of model bodies from starch and gluten have established the presence of two forms of bound of system water with dry substances of these model bodies. At the same time, the change of the tangents of the angle of versus from the molar mass of starch and its molar concentration in the model bodies proves the presence of at least three structures of system water. The results obtained are output data for controlling the equilibrium between phases in the thermostat. The InHMT in the prototype of the apparatus for evaporation, concentration and condensation is investigated. It is the simplest way of organizing this effect. It is a thermostat with obturator and liquid and gas inside. The visual observation and the kinetics of the temperature of the internal thermostat environment during the InHMT, where the liquid phase was alternately used with ethanol and water, established the inability to reach the liquid in the internal environment of the thermostat boiling point under the condition of organization of InHMT. In the modeling of InHMT in the presence of solid, liquid and gas phases inside the thermostat with phase rupture the main parameter of the order of the effect of InHMT is established – the presence of continuity of the gas medium inside the thermostat by the partial pressure of the liquid vapor. It has been established that the performance of the thermostat by evaporating liquid is determined by the performance of the obturator, which is one of the factors by which it is possible to control the InHMT in practice. Calculations show: the specific performance of the working surface of the thermostat is 1.7 times greater than the evaporation rate from the open surface of the water at the same temperature (75 °C) and the velocity (v=10 m/s) above the surface, which distinguishes the IhHMT favorably. The modeling of drying and hydrothermal treatment with InHMT of raw materials with high porosity or high shrinkage (the volume of interstices - 30...50% of the volume of the thermostat) has established that the nature of InHMT in the presence of ruptures in the solid phase does not differ from the nature of InHMT in their absence. The same result is obtained during the modeling of treatment with InHMT raw materials with particles having gas-tight inclusions. The simulation of the InHMT for the horizontal orientation of raw materials with gas-tight inclusions found that different layers of colloid capillary-porous body reached equilibrium moisture content with a difference in the duration of 10% of the total duration of the heat and mass transfer process, which proves: the boundary surface of the system "environment – the internal environment of the thermostat" is in the volume of the obturator. The modeling of vertical orientation of raw materials with gas-tight inclusions has been proved: during the InHMT there is an orientation of the nature of the process of heat and mass transfer. The presence of the direction of the heat and mass transfer process is a sign of controllability of InHMT and its universality on raw materials. The calculation of the thermal balance of the InHMT has established that during this effect there is a deficit of heat, which is 25...30% of the required amount. It is noted that the observable fact indicates the performance of work on a system, which is induced by the flow of air moving relative to the thermostat obturator. It is proved: the work of the airflow moving relative to the obturator is the controlling parameter by which the "start" of the InHMT is organized. It is proved that the temperature and flow of air moving relative to the thermostat do not have a significant effect on the nature of the InHMT and is not a ballast of energy. Investigations of the kinetics of the heat flowing within the thermostat at different air flow velocities have shown that the intensity of the InHMT can be controlled within the range of 15...20% of the velocity of air (from 4 to 13 m/s) moving relative to the obturators. It is determined that for the corners of the blow from 35° to 55°, the energy efficiency of the InHMT is less than 2 times compared to the angles of 0° and 90°, which achieves the highest energy efficiency. In the fourth chapter theoretical investigations revealed the peculiarities of the mechanism and the forces of the InHMT. An approximate solution to the problem of the distribution of temperature and moisture content in cylindrical and parallelepiped shape thermostats under the boundary conditions of the third and the first kind by the method of R-functions is obtained, in conjunction with the method of a small parameter, and is compatible with the Bubnov-Galerkin projection method. It is noted that the application of developed models based on classical differential equations of heat and mass transfer, even with the use of R-functions, does not reproduce the InHMT effect. Physical and mathematical modeling of InHMT as a solution of a thermal problem, and not heat-mass exchange, is substantiated. The solution of the heat equation in relation to the development of the power of dissipative structures inside the thermostat during the InHMT, which takes into account the mass transfer, has found its analytical form. The correctness of the introduction of this function is proved for the description of the InHMT and engineering calculations of the devices with the variation of the parameters of the order and control parameters of the InHMT. In the fifth chapter defines the requirements for the elements of the design of devices with InHMT. Conceptual solutions of the constructions of devices with InHMT for the following technological operations that are used in the food industry: drying; hydrothermal processing; evaporation, concentration or condensation; cooling and thermostating; rectification or distillation. It is noted that the above solutions of devices using InHMT are universal. Their universality is the ability to use one apparatus to perform any of the described technological operations with minimal constructional changes in the existing apparatus. On the basis of conceptual solutions, a continuous apparatus for hydrothermal processing of cereals with InHMT has been developed, where the final product is quick-cooking kasha, which do not require cooking. The device for hydrothermal processing of cereals with InHMT is calculated on the basis of empirical and standard equations of thermal and mass balance, taking into account features of the used effect. The calculations prove that the economic effect of development is achieved by reducing the number of used technological operations, performing basic operations in one apparatus and reducing energy consumption per unit of production by more than 1.3 times compared with traditional methods. In this case, the device can be used for hydrothermal treatment, drying, thermostating, evaporation, where provided the use of a suitable heat and mass exchange module. It is proving its universality. Developments are confirmed by the patent of Ukraine on the utility model "Installation for hydrothermal processing and drying of cereals". The project of TU "Quick-cooking kasha" was developed. In the sixth chapter studies of certain functional and technological properties and quality indicators of products obtained after such technological operations as drying, hydrothermal processing and evaporation with InHMT, have proved the high quality of the received products in comparison with analogous products obtained by traditional methods. The performance of the specified technological operations was carried out in prototypes of thermostats, the construction of which is due to the content of the operation being performed. The results obtained in the work were tested at LLC "Terra", LLC "Joint Ukrainian-German Enterprise "Zlaki", PAE them. T.G. Shevchenko. The results of the research are implemented in the educational process of KSUFTT.