Харківська державна академія технології

та органІзації харчування

ПОГОЖИХ МИКОЛА ІВАНОВИЧ

УДК 664.834

НАУКОВІ ОСНОВИ ТЕоРІЇ ТА ТЕХНІКИ СУШІННЯ

ХАРЧОВОЇ СИРОВИНИ У МАСООБМІННИХ МОДУЛЯХ

Спеціальність 05.18.12 – процеси та обладнання харчових, мікробіологічних

та фармацевтичних виробництв

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківській державній академії технології та організації

харчування Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант | доктор технічних наук, професор

ГРИШИН Михайло Олександрович,

Одеська державна академія харчових

технологій, професор кафедри технології молока та сушіння

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, чл.- кор. НАН України

Снєжкін Юрій Федорович,

НТК "Інститут технічної теплофізики" НАН України, заступник директора;

доктор технічних наук, професор

БУРДО Олег Григорович,

Одеська державна академія харчових

технологій, завідувач кафедри процесів та апаратів;

доктор технічних наук, професор

ФОКІН Віталій Сергійович,

Національний технічний університет “ХПІ”, професор кафедри теплотехніки

Провідна установа: | Одеська державна академія холоду

Міністерства освіти і науки України,

м. Одеса, кафедра теплофізики

Захист відбудеться “ 4 ” червня 2002 року о 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.088.01 Харківської державної академії технології та організації харчування за адресою : 61051, м. Харків,

вул. Клочківська, 333, ауд.45.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківської державної академії технології та організації харчування за адресою: 61051, м. Харків,

вул. Клочківська, 333.

Автореферат розісланий “ 26 ” квітня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Михайлов В. М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Раціональне використання і скорочення втрат сільськогосподарської продукції що вироблена _одна з основних задач харчової промисловості України. Збільшення обсягів переробки сільгоспсировини на продукти харчування дозволяє не тільки знизити втрати врожаю на процесі його зберігання, але й використовувати відходи виробництва для господарств, що відгодовують тварин. Дефіцит енергетичних ресурсів диктує необхідність раціонального використання енергії, розробки енергозберігаючих процесів і апаратів для харчових технологій, зокрема для сушіння.

Сушіння найпоширеніший спосіб консервування харчової сировини. Задачами сушильних технологій є: зниження енергетичних витрат на процес вилучення вологи; підвищення якості сушеної продукції; розробка високоефективної універсальної сушильної техніки; забезпечення екологічної безпеки сушильних підприємств. Рішення цих задач визначається розвитком наукових уявлень про механізми масо- і теплообміну. Завдяки роботам О.В. Ликова, П.Д. Лебедєва, Г.К. Філоненка, М.О. Гришина, В.В. Краснікова, вчених інституту тепломасообміну ім. О.В. Ликова (Мінськ), ІТТФ НАН України, закордонних вчених О. Крішера, Т. Шервуда тощо створена теорія процесів переносу теплоти і маси, розвинуте учення про технологію й техніку сушіння. Основою цієї теорії є закони збереження, постулати і теореми нерівноважної термодинаміки. Сучасні досягнення та досвід використання нерівноважної термодинаміки у фундаментальних науках дозволяють поширити деякі її висновки безпосередньо на процеси зневоднювання.

З приводу пошуку нових способів сушіння харчової сировини розроблений у ХДАТОХ спосіб сушіння змішаним теплопідводом являє собою перспективний напрямок. Попередні дослідження довели ефективність застосування цього способу для виробництва сушеної продукції підвищеної якості. Але відсутність узагальнених експериментальних результатів й повної теорії процесу стримує розробку методик розрахунку відповідних типів сушарок, визначення раціональних режимів зневоднювання харчової сировини та широке промислове впровадження принципово нових апаратів й технологій сушіння. Викладене обумовило вибір теми дисертаційної роботи.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Представлені в роботі дослідження виконувалися відповідно до планів держбюджетних тем ХДАТОХ за замовленням Міністерства освіти і науки України: № 139195Б “Застосування фізичних методів досліджень для контролю й аналізу процесів технологічної обробки харчових продуктів”; № 59597Б “ Фізико-хімічні проблеми стану води в харчових продуктах і їхня якість”; № 29801Б “Фізико-хімічні і технологічні проблеми стану води в харчових продуктах”; №2 93 БО “Наукове обґрунтування і розробка критеріїв безпеки крові забійних тварин для харчових продуктів на її основі”, госпдоговірних тем: № 0193V024307 “Розробка конструкції пристрою ЗТПсушіння”; № 0192ЦС “Експериментальний сушильний пристрій для виробництва картопляних слойок”, а також у рамках договору про спільну діяльність академії з Харківським науково-технологічним комплексом.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка теорії, за якою визначаються раціональні режими сушіння харчової сировини у масообмінних модулях та розраховуються апарати для їх практичної реалізації.

Виходячи з мети дослідження, сформульовано та вирішено такі задачі:

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Об’єктом досліджень є процес сушіння харчової сировини.

Предметами досліджень є процеси тепломассообміну при сушінні харчової сировини у масообмінних модулях і технічні вимоги до сушильного обладнання, в якому здійснюються ці процеси.

Методи досліджень містять у собі стандартні та оригінальні методики дослідження кінетики сушіння, гідромеханічних характеристик сушильного агенту, виміру теплових потоків для масообмінних модулів, а також методи аналітичних досліджень із використанням обчислювальної техніки.

Наукова новизна одержаних результатів.

Доведено наукову концепцію роботи: теорія _сушіння вологих матеріалів у масообмінних модулях, як процес тепло-масообміну через стан з максимумом вільної енергії; техніка сушіння _масообмінний модуль, що містить вологий матеріал, є об’єктом сушіння. При цьому:

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблений принципово новий спосіб сушіння для асортименту харчової сировини дозволяє одержувати сушені швидковідновлювальні продукти з низькими енерговитратами на процес зневоднювання. Для можливості його широкого впровадження у виробництво:

-

-

-

-

-

-

Особистий внесок здобувача полягає у формулюванні наукової гіпотези, науковій концепції і доказі наукових положень дисертації, розробці методик, проведенні комплексних досліджень процесу й узагальненні експериментальних результатів, розробці моделей процесу зневоднювання харчової сировини у масообмінних модулях, проведенні заходів щодо впровадження результатів наукових досліджень у практику, формулюванні висновків і підготовці до публікації результатів досліджень.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались, обговорювались і були схвалені на: Всесоюзній конференції “Проблеми впливу теплової обробки на харчову цінність продуктів харчування”, (м. Харків, 1990р.); Всесоюзній конференції “Разработка комбинированных продуктов питания (Медико-биологические аспекты, технология, аппаратурное оформление, оптимизация)” (м. Кемерово,1991р.); Міжнародній конференції “Heat and Mass Transfer in Technological Process” (Jurmala, 1991р.); Всесоюзній конференції “Механіка сипучих матеріалів” (м. Одеса, 1991р.); Міжнародному форумі “Тепломасообмін” (м. Київ, 1992р.); Міжнародній конференції “Розвиток масового харчування, готельного господарства і туризму в умовах ринкових відносин” (м. Київ, 1994р.); Міжнародної конференції “Перспективи розвитку масового харчування і торгівлі в умовах переходу до ринкової економіки” (м.Харків, 1994р.); науково-технічній конференції “Споживча кооперація в перехідний період. Проблеми і перспективи” (м. Полтава, 1995р.); Міжнародній конференції “Удосконалення процесів та апаратів хімічних, харчових та нафтохімічних виробництв” (м. Одеса, 1996р.); Міжнародній конференції “Проблеми промислової теплотехніки” (м. Київ, 1999р., 2001 р.); на наукових конференціях професорсько-викладацького складу ХДАТОХ (1989…2001 роки).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 48 наукових праць, у тому числі: 33 статті у наукових фахових виданнях, що затверджені ВАК України; 13 тез доповідей на наукових конференціях; 1-авторське свідоцтво та 1 патент на винаходи.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, восьми розділів, висновків, списку використаних джерел, що включає 254 най-менувань і додатків. Основний текст роботи викладений на 331 стор., включає 111 рисунків, 19 таблиць і 12 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначено мету та основні задачі досліджень, наведено відомості про наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі "Аналіз сучасного стану технології, техніки і теорії сушіння харчової сировини" проведено огляд проблем, що виникають при виробництві сушеної продукції. Відзначено, що перспективним напрямком розвитку техніки і технології сушіння є розробка принципово нових технологій і устаткування. Аналіз динаміки процесу сушіння дозволив сформулювати варіант наукової концепції способу штучного зневоднювання, заснований на уявленнях про вплив природного пограничного шару на процеси переносу, як чинника, що лімітує зовнішній перенос. Запропоновано замінити природну границю розділу деякою штучною поверхнею із заздалегідь заданими тепло-масообмінними властивостями. Основою для створення теорії і розробки принципово нового способу сушіння обрані сучасні досягнення нерівноважної термодинаміки, які дозволяють прогнозувати шляхи й процеси розвитку системи при взаємодії з навколишнім середовищем. Визначено чотири необхідні й достатні умови для руху системи у бік до максимуму вільної енергії. Розглянуто методи математичного опису процесів переносу. Відзначено, що уявлення про сталість кінетичних коефіцієнтів обмежує можливості в розумінні й керуванні процесами тепломасообміну, але дозволяє одержувати різні емпіричні рівняння, що описують кінетику процесів. На основі комп’ютерної обробки чисельних експериментальних даних визначено вид апроксимуючої функції, що задовільно описує кінетику зневоднювання різних матеріалів. Узагальнення висновків проведеного теоретичного аналізу дозволили сформулювати задачі досліджень.

В другому розділі "Феноменологічна гіпотеза та методики досліджень сушіння у масообмінних модулях" наведено поширене трактування гіпотези сушіння у масообмінних модулях. З положень нерівноважної термодинаміки витікає, що еволюція макроскопічної системи, яка досягла максимуму вільної енергії, у бік рівноваги відбувається через нерівноважний стаціонарний стан. Згідно з теоремою Пригожина цей стан характеризується мінімумом виробництва ентропії, тобто кількість утворень (дисипативних структур) , що розсіюють енергію, буде з часом зменшуватись. Однак, термодинамічні умови для самовільного утворення дисипативних структур у системі: 1_видалення від рівноваги; 2_хиткість поблизу стаціонарного стану (відсутність потоків зі сталою інтенсивністю, прагнення у бік максимуму вільної енергії); 3_флуктуації; 4_відкритість по потоках енергії та маси, _призведуть до значної інтенсифікації процесу зневоднення. З метою технічної реалізації всіх цих умов запропоновано використовувати масообмінний модуль, що утворить із зовнішнім середовищем активну границю розділу (рис.1). Під активністю границі розділу розуміють її поліфункціональність стосовно потоків енергії і маси : границя виконує роль ключа, що відслідковує взаємодію внутрішньої частини системи з навколишнім середовищем при збереженні своїх фізичних і хімічних властивостей поза залежністю від інтенсивності і природи потоків енергії. Якщо якась властивість зовнішнього середовища є сталою, ту ж саму властивість повинна мати й границя розділу. Встановлено, що модуль повинен знаходитися в слабовідкритому стані по потоку маси і мати поріг чутливості.

універсальні як по відношенню зневоднення без зміни агрегатного стану вологи, так й для сушіння. У випадку сушіння масообмінний модуль являє собою місткість, у якій розміщується сировина та яка має перфорацію для видалення маси (масообмінні зазори). Масообмінний модуль при сушінні гарячим повітрям забезпечує теплопідвід до матеріалу та бере участь у зовнішньому масообміні, тому його запропоновано іменувати функціональною місткістю (рис.2.), а процес _сушіння змішаним теплопідводом (ЗТП). Показано, що ФМ умовно можна розділити на три основні типи: однобічні; двобічні (включаючи індивідуальні); змішаного типу, що являють собою комбінацію двох попередніх. У однобічних ФМ тепло- й масообмінна поверхні (зазори) розташовані з одного боку від площини симетрії, у двобічних _взаємно перпендикулярно.

З викладеного сформульовано наукову концепцію роботи, положення якої раніше не формулювались і не доводились.

Особливості процесу дозволили запропонувати непрямий метод вивчення кінетики сушіння. Основою метода є рівняння теплового балансу у будь який момент часу :

, (1)

де _відповідно теплоємність (Дж/(кгК)), густина (кг/м3), об’ємна витрата (кг/м3) сушильного агенту;

_відповідно апаратурний коефіцієнт (К/відн.од.), амплітуда сигналу (1/відн.од.) прибору, що реєструє різницю температур сушильного агенту на вході й виході з камери;

_питома теплота пароутворення, Дж/кг;

_відповідно швидкість втрати маси (кг/с) та поточна маса (кг) сировини;

_відповідно швидкість зміни температури (С/с) та поточна температура (С) сировини;

_питома теплоємність сировини, Дж/(кгК).

Рішення цього рівняння, з урахуванням співвідношень маси та вологовмісту (), а також залежності теплоємності від вологовмісту.

У третьому розділі "Дослідження кінетики сушіння харчової сировини у масообмінних модулях" доведено, що можливість здійснення процесу сушіння в індивідуальних функціональних місткостях (ІФМ), залежить від виду вихідної сировини. Сировину поділено на дві основні групи: що не піддається значній об’ємній усадці; що має високу міцність тканин. Для першої групи (картопля, яблуко, м’ясо) використовують стандартну попередню підготовку, а для другої (гарбуз, морква, буряк) _спеціальну. Одним з прийомів може бути попереднє заморожування овочів (рис.3). Така операція рекомендована й для сушіння сиру, швидкість й ступень відновлення якого збільшується з 50% до 80%. Необхідність спеціальної попередньої підготовки є вимогою до масообмінного критерію Кирпичьова

. (5)

Нерівність (5) відображує утворення дисипативних структур під час сушіння (поверхня випару), що є внутрішнім флуктуаційним чинником процесу.

Двобічні функціональні місткості (ДФМ) є удосконаленою конструкцією ІФМ. Такі місткості можуть мати нескінченну довжину по відношенню до розміру поперечного перерізу. Встановлено, що розмір масоообмінного зазору в межах (0,5…3,0)10-3 м не впливає на кінетику сушіння, що дозволяє використовувати навіть мілке здрібнення сировини. ДФМ мають три ступеня вільності по відношенню до вектору швидкості агенту сушіння, але орієнтація місткостей суттєво не впливає на загальну тривалість сушіння.

Зовнішніми чинниками процесу є розміри ФМ, під теплообмінною по- верхнею котрої розташовано тіло, що обумовлює стік теплоти до оточуючого середовища.

Використовуючи уявлення про еквівалентний діаметр , як це запроваджено у теорії теплообміну, дослід-жено вплив цього чинника на тривалість сушіння. Встановлено, що існує критична величина у співвідношеннях розмірів ФМ, перевищення якої призводить до росту тривалості сушіння на порядок. Ця критичність геометричного комплексу описується емпіричним рівнянням (9)

(9)

Обчислену за цим рівнянням величину використовують для визначення граничних співвідношень розмірів місткості.

Однобічні функціональні місткості (ОФМ) найперспективніші з погляду їх використання у виробництві: прості у виготовлені та універсальні по відношенню до сировини (рис.5). Характер кінетики сушіння у двобічних і однобічних ФМ не залежить від виду сировини, а визначається параметрами сушильного агенту, геометричними розмірами ФМ і здрібнених шматочків сировини. Доведено, що функціональну місткість варто розглядати, як об’єкт сушіння, масо- і теплопровідність якого залежать від ступеня здрібнювання і кількості сировини в ФМ. Такі ФМ є універсальними.

При сушінні в універсальних ФМ можна завантажити різну кількість сировини в залежності від ступеня здрібнення та заповнення місткості. Запроваджено уявлення про ефективний пористий простір , як частину об’єму ФМ, що не заповнена сировиною

, (10)

де , _відповідно початкова маса (кг), густина (кг/м3) сировини,

об’єм ФМ, м3;

Змінюючи розміри здрібнення й масу сировини, що завантажується, вивчали відносну продуктивність місткості , як елементарного пристрою сушарки (рис.6). Отримано, що збільшення розмірів здрібнення призводить до блокування процесу, а збільшення _до трансформації процесу у конвективний. Встановлені раціональні параметри щодо завантаження місткостей сировиною. Наведену на рис.6 залежність треба використовувати як номограму для вибору раціонального здрібнення сировини та її завантаження у ФМ. Показники раціонального здрібнення й ступеня завантаження асортименту сировини наведені у табл. 3.

Таблиця 3

Раціональні параметри завантаження ФМ

Параметр | Сировина

Картопля | Морква | Буряк | Гарбуз | Часник | М’ясний фарш

L103, м | 1,0...2,0 | 1,5...2,0 | 2,0...2,5 | 2,0...3,0 | 2,5...3,0

П, відн.од. | 0,20 | 0,25 | 0,25 | 0,30 | 0,3 | 0,20

а підставі аналізу великої кількості кінетичних кривих встановлено, що процес сушіння можна поділити на три періоди: період нагрівання матеріалу і зростаючої швидкості сушіння; період максимальної швидкості сушіння; період убутної швидкості (рис. 7). На перші два періоди суттєво впливають швидкість руху повітря, розміри здрібнення сировини, попередня підготовка сировини до сушіння, ефективний пористий простір, співвідношення розмірів ФМ, а вже потім температура сушіння та природа сировини. Перший період має лавиноподібний характер, основним зовнішнім чинником якого є швидкість руху повітря поблизу масообмінного зазору. Найсуттєвішим чинником другого періоду є ефективний пористий простір, а третього _температура сушіння. Але тільки перші два періоди є критичними і “чутливими” як до зовнішніх, так і до внутрішніх чинників, та визначають можливість здійснення та інтенсивність процесу сушіння вцілому.

Отримані результати щодо впливу чинників на кінетику сушіння у ФМ сировини рослинного і тваринного походження дозволили визначити діапазони пошуку раціональних режимів процесу за наступними показниками:

-

-

-

-

-

У четвертому розділі "Дослідження динаміки сушіння харчової сировини у масообмінних модулях" відзначено, що характер середньооб’ємної температури і розподіл температур по шарах сировини відрізняються від конвективного сушіння наявністю двох проміжних екстремумів (рис.8) _критичних точок , перша з котрих є максимумом, а друга _мінімумом температури. Така кінетика температури є характерною рисою ЗТП_сушіння поза залежністю від типу ФМ, виду сировини, її розмірів та шару, де вимірюється температура. Однак конкретні умови сушіння деформують температурну криву відносно критичних точок і вони змінюють своє положення по координатах. На положення критичних точок при сталій температурі сушіння впливає швидкість сушильного агенту: вони зближуються і рухаються у бік осі вологовмісту (часу). Відносне положення цих точок описується емпіричними рівняннями:

; (11)

, (12)

де _коефіцієнти (табл.4).

Таблиця 4

Коефіцієнти рівнянь (11, 12)

Сировина | Критичні точки

103, | 103, | 103, | 103,

102 | с/м | 102 | с/м | 102 | с/м | 102 | с/м

Картопля | 7,5 | 2,1 | 53 | -9,1 | 40 | -17 | 42 | -18

Буряк | 7,8 | 2,1 | 50 | -9,5 | 42 | -19 | 41 | -20

Морква | 7,9 | 2,3 | 50 | -9,5 | 45 | -19 | 40 | -20

Гарбуз | 8,3 | 2,5 | 48 | -10,0 | 48 | -19 | 37 | -22

М’ясний фарш | 6,5 | 2,1 | 53 | -6,5 | 35 | -12 | 50 | -15

Визначено, що мінімум температури центрального шару зміщується в залежності від температури сушіння у бік більш високого поточного вологовмісту сировини. При цьому температурний напір між центральним шаром та поверхнею сировини досягає 40С.

Підвищення ефективного пористого простору також сприяє зближенню критичних точок, їх абсолютні величини збільшуються й температурна крива трансформується до кривої 2 (рис. 8). Це обумовлено значним впливом потоку сушильного агенту, який потрапляє усередину ФМ. Висока величина негативно впливає на якість готової продукції та зменшує тепловий потік крізь теплообмінну поверхню ФМ. Показано, що раціональне завантаження сприяє значному градієнту температури між окремими шарами (рис.9).

Хвилеподібний характер розвитку поля градієнтів температури усередині сировини відбиває рух зони випару: максимум градієнта відповідає максимуму швидкості зневоднення у даній зоні, де й відбувається інтенсивне розсіювання основної частини потоку теплоти. Кожна наступна зона зневоднюється за тим же законом, що й попередня. Такий процес є принципово нерівноважним й нестаціонарним, що й фіксується кінетикою сушіння в цілому (відсутній період сталої швидкості).

Розроблені методики дослід-жень дозволили експериментально вимірювати потоки теплоти крізь стінку ФМ й визначити величину та характер коефіцієнта теплопередачі під час сушіння

. (13)

Наприкінці сушіння, коли об’єм ФМ стає майже "прозорим", а кількість випареної вологи зменшується, потік пароповітряної суміші втрачає свою інтенсивність (перегин сигналу 2) і стає стаціонарним. Доведено, що гідродинаміка обтікання масообмінного зазору ФМ є визначальним чинником процесу сушіння у масообмінних модулях.

Встановлено, що розподіл статичних тисків поблизу елементів ФМ не залежить від температури сушильного агенту і від того, чи відбувається процес зневоднювання чи ні, а визначається тільки геометричною формою ФМ і швидкістю потоку. Вивчено залежність повного і статичного тисків потоку в каналі сушарки від вологості сировини, що завантажена у ФМ. Отримано емпіричне рівняння, що описує розподіл тиску уздовж координати (поверхні ФМ), яка співпадає з напрямком руху потоку сушильного агенту:

, (17)

де с, ,, a – коефіцієнти (с, Па/м; , 1/м; , м; a та _безрозмірні).

Експериментальним вивченням критерію Ребіндера при ЗТП сушінні, доведено зсув витрат теплоти в загальному рівнянні балансу теплоти убік вит-рат на випар, що свідчить про ефективність процесу. Факт того, що при ЗТП_сушінні цей критерій має від’ємні величини, указує на випаровування вологи за рахунок внутрішньої енергії сировини, накопиченої у попередні періоди. Тоді у процесі сушіння система "волога сировина + ФМ" минає хитливий стан з максимумом вільної енергії. Очевидно, це є самою істотною відмінністю досліджуваного способу сушіння від інших, де процес завжди протікає через стан з мінімумом вільної енергії.

У п’ятому розділі "Фізична модель сушіння вологої харчової сировини у масообмінних модулях" на основі експериментальних досліджень наведено опис механізмів переносу теплоти й маси. Запропоновано термодинамічну модель сушіння вологих матеріалів, засновану на тому, що функціональна місткість виступає як об’єкт сушіння, а сировина, що зневоднюється, визначає внутрішній тепловологоперенос цього об’єкта. За цих умов об’єкт сушіння уявляє собою квазіізольовану систему. Система володіє двома квазірівноважними станами, один з яких є хитливим з максимумом вільної енергії (початковий період зневоднювання), а другий _стійкий з мінімумом вільної енергії (закінчення зневоднювання). Показано, що обидва стани не є критичними стосов-но температури t (за 0 C < t <100 C) і вологості сушильного агенту (при < 100%), а перехід від хитливого до стійкого стану відбувається за рахунок флуктуацій потоку сушильного агенту поблизу масообмінного зазору. Еволюція цього переходу може бути пояснена за допомогою положень нерівноважної термодинаміки. Приріст ентропії у закритій системі з часом може тільки зменшуватись: . Для відкритих систем зміна приросту ентропії поділяється на дві частини _внутрішню, яка завжди підпорядковується нерівності , та зовнішню , знак якої залежить від зовнішніх потоків теплоти й маси. Якщо об’єкт сушіння знаходиться у квазіізольованому стані по потоку маси, то самовільно вийти з цього стану він не може (сушіння не відбувається). Потік теплоти збільшує внутрішню енергію об’єкту і його стан стає хитливим. Будь-які флуктуації (зовнішні або внутрішні) призведуть до генерації механізмів руху системи до нового стійкого стану _почнеться зневоднення. Тривалість зневоднення та характеристики кінцевого стану сировини будуть визначатися інтенсивністю обміну теплотою і масою з оточуючим середовищем, а також внутрішніми флуктуаціями (розвитком поверхні випару) та переносом теплоти й маси, еволюція яких завжди підпорядковується нерівності . За близьких фізичних властивостей сировини тривалість зневоднення не буде залежати від її природи, що й спостерігалося експериментально.

Якщо обмін масою об’єкту сушіння із зовнішнім середовищем відбувається тільки дифузією, то потік теплоти крізь стінку ФМ швидко компенсує її витрати на випар. Це призводить до зростання температури сировини, потік теплоти зменшується, а об’єкт сушіння набуває проміжний квазірівноважний хитливий стан _процес зневоднення "заблокується".

Приріст ентропії є адитивним за складовими рушійних сил переносу. При сушінні у масообмінних модулях можна відокремити внутрішні складові: _масова дифузійна; _теплообмінна; _масова конвекційна:

. (18)

Третя складова обумовлена утворенням дисипативних структур (розвитком поверхні випару), тому залежить і від . Параметри зовнішнього середовища при сушінні підтримуються сталими, тому перші дві складові (18) набувають стаціонарного режиму. Як це витікає з теореми Пригожина, система повинна знизити свій порядок на одиницю, тобто потік зникне й відбудеться "зрив" процесу зневоднення. Це спостерігається при сушінні у ФМ шматочків з розмірами більш за (5...6)10-3 м, які не втрачають маси по досягненні гігроскопічного вологовмісту.

Аналогічна ситуація спостерігається при завантаженні сировини у ФМ з високим ефективним пористим простором. За цих умов додатково з’являються ще дві складових: _тепловіддача від потоку сушильного агенту, що потрапляє у ФМ; _розсіювання енергії потоку сушильного агенту за рахунок тертя:

. (19)

Тоді перша, четверта і п’ята складові (19) набудуть стаціонарного режиму, система зменшить свій порядок на дві одиниці, теплообмін зі стінкою ФМ зникне, упорядкованість внутрішніх потоків маси знизиться або теж зникне. Внаслідок цього, процес сушіння у масообмінних модулях трансформується до конвективного сушіння, що також спостерігалось експериментально.

Теоретичним аналізом встановлено, що процес обміну маси сировини з оточуючим середовищем шляхом дифузії не є визначальним, або його інтен-сивністю можна знехтувати. Обмін масою здійснюється упорядкованим кон-векційним потоком пароповітряного середовища, спрямованим із ФМ. При відсутності джерел маси потік повітря в об’ємі ФМ має вихровий характер, а при випаровуванні вологи _упорядкований.

Отримано рівняння, що відображає феноменологічну вимогу до швид-кості руху сушильного агенту поблизу поверхні ФМ:

, (20)

де _об’ємна густина, кг/м3, (індекси: k пара; о_повітря);

_умовна дифузійна швидкість потоку маси усередині ФМ, м/с;

_коефіцієнт турбулентності потоку повітря;

_лінійний розмір (індекси: x_ширина масообмінного зазору; mw_здрібненої сировини; без індексу_ширина елементу ФМ), м;

N_кількість елементів ФМ.

Розрахунок теоретичного процесу ЗТП_сушіння з використанням I-d діаграми повітря cтверджує, що потік сушильного агенту в середину ФМ не може забезпечити процес необхідною теплотою. Доведено, що більша частина теплоти надходить до сировини через теплообмінну поверхню ФМ. При цьому ефективність процесу визначається тим, що здібність сушильного агенту до поглинання вологи обумовлюється його нагріванням не тільки в калорифері сушарки, але й усередині ФМ. Висока вологовбирна здатність пароповітряної суміші усередині ФМ обмежує баласт теплоти до 10...15% від тієї, що несе сушильний агент для забезпечення процесу сушіння. Тому поглинання теплоти сировиною повністю визначається інтенсивністю випаровування вологи.

У будь-якій теорії сушіння не обминається питання про форми зв’язку вологи з матеріалом. Це питання нами вивчалося з використанням методу ядерного магнітного резонансу (ЯМР). Аналіз чисельних даних ЯМР_досліджень дозволив запропонувати модель динамічного поводження вологи в полідисперсних системах органічного походження. Основне положення цієї моделі полягає у твердженні, що кількість і стан зв’язаної вологи залежать від інтенсивності тепломасообмінних процесів. Стан вологи в матеріалі характеризується термодинамічною рівновагою із сухою речовиною. Таких станів не менше трьох і вони стійкі в деякому діапазоні вологовмістів. Як показали дослідження, існує залежність цих діапазонів від температури і способу сушіння. На підставі цієї моделі наведено пояснення швидкого досягнення низького кінцевого рівноважного вологовмісту матеріалів при ЗТП_сушінні.

Запропонована фізична модель сушіння харчової сировини у масообмінних модулях погоджується з експериментом і дозволяє використовувати її для розрахунку й оптимального керування даним процесом. Відповідно до основних положень моделі процес сушіння заснований на:

-

-

При цьому перше стосується теорії та задач сушильної техніки, а друге _теорії та задач технології сушіння.

У шостому розділі "Фізико-хімічні та технологічні показники сушених продуктів" визначені режими проведення процесу сушіння, які забезпечують максимальне зберігання основних показників якості вихідної сировини. Дослідженнями встановлено, що на відновлюваність сушених продуктів у змочувальній рідині впливають тип ФМ, температура сушіння, природа і розміри сировини, ефективний пористий простір (рис. 14). При цьому, якщо вплив типу ФМ позначається тільки на характері кінетики змочування, то інші перераховані чинники, впливають на загальну тривалість і максимальну величину ступеня відновлюваності . Так ступень відновлювання для будь якої сировини підвищується, якщо завантаження ФМ проводити з меншим ефективним пористим простором. Отримані комплексні дані щодо відновлюваності асортименту продукції рекомендовано використовувати при визначенні технології попе-редньої підготовки сировини і режимів сушіння.

Отримано емпіричне рівняння, що дозволяє визначати рівноважний вологовміст сушених продуктів з відносною похибкою, що не перевищує 15 %. Задовільна кореляція розрахованих величин рівноважного вологовмісту з експериментальними дозволила рекомендувати це рівняння для визначення раціональних режимів збереження продукції.

Встановлено, що процес ЗТП_сушіння характеризується впливом, що щадить на склад біологічно активних речовин сировини, а за дією на _каротин вплив спостерігається на рівні сублімаційного сушіння. Зниження втрат вітамінів при ЗТП_сушінні (табл. 8), обумовлено низьким інтегральним температурним впливом на сировину, малою тривалістю процесу, а також тим, що сировина практично ізольована від інтенсивного впливу сушильного агенту і світла.

Таблиця 8

Відносні втрати біологічно активних речовин, %

±0,1

Сировина | Температура сушіння, С

60 | 70 | 80 | 90

Картопля:

Вітамін С |

7,2

5,6

45,0

44,0 |

6,0

5,5

44,0

44,0 |

6,2

5,0

45,0

42,0 |

8,3

6,8

49,0

50,0

, С

Буряк:

Вітамін С

-каротин

, С |

17,0

1,6

47,0 |

15,0

1,8

45,0 |

15,2

1,5

48,0 |

16,5

2,5

51,0

Морква:

Вітамін С

-каротин

, С |

23,0

1,6

47,0 |

16,0

0,8

46,0 |

9,2

2,0

47,0 |

17,5

2,3

49,0

Гарбуз:

Вітамін С

-каротин

, С |

20,0

1,1

43,0 |

12,0

0,7

43,0 |

14,2

2,5

44,0 |

16,0

3,0

48,0

Сушіння в ІФМ

Дослідження мікробіологічних показників сушеної продукції показали, що в процесі зберігання в герметичному упакуванні кількість мікроорганізмів зменшується, тому що немає активного середовища (вологи) для розвитку мікроорганізмів. Встановлені гранично припустимі температури сушіння, що забезпечують збереженість колірної гами продукції. Показано, що підвищення температури сушіння можливо тільки у випадку застосування перемінних режимів. Дослідженнями ремісійних властивостей встановлено, що з метою тривалого зберігання продукції її варто упаковувати у світлонепроникні полімерні матеріали під вакуумом.

У сьомому розділі "Раціональні режими та апаратурне оформлення ЗТП_сушарок " наведено опис загальної технологічної схеми сушіння харчової сировини. Відзначено, що режими сушіння, реалізовані в установках ЗТП, характеризуються витратами енергії 3,1...3,3 МДж на 1кг вологи, що випаровується, а в перерахуванні на 1 кг сушеної продукції цей показник коливається в межах 7,5...24,0 МДж.

Виходячи з положення наукової концепції роботи, розроблено методику вибору раціональних режимів ЗТП_сушіння. В основі цієї методики лежить аналіз впливу процесних чинників на якість готової продукції. При цьому спочатку визначається діапазон раціональних режимів за кожним чинником, а потім _остаточний вибір раціонального режиму. Визначені режими дозволили скласти технологічні карти для ЗТП_сушіння асортименту харчової сировини. Показано, що концепція методики розрахунку ЗТП_сушарок повинна базуватися на уявленні про ФМ, як своєрідний тепло- масообмінний пристрій. Цей пристрій є окремою одиницею – “ сушарка в сушарці”. Тоді основною величиною, що вишукається та визначає розрахунок сушарки в цілому, є швидкість потоку повітря поблизу масообмінного зазору ФМ. Розроблено алгоритм розрахунку ЗТП_сушарки і наведенио опис методики його застосування. Для зручності практичного застосування методика розрахунку ЗТП_сушарок оформлена у вигляді програми для ПЕОМ у середовищі Мathcad.

Відзначено, що обов’язковою конструктивною приналежністю ЗТП_сушарок є функціональна місткість для сировини. Тому кожне з інженерно-конструкторських рішень повинне забезпечити проведення ЗТП_процесу тільки при дотриманні вимог, що безпосередньо відносяться до обраного типу функціональної місткості. Розроблено класифікацію ЗТП сушарок за типами ФМ, за способом теплопідводу й за характером роботи. Наведена класифікація дозволяє оцінити перспективу подальших досліджень даного способу сушіння. Відзначено, що особливий інтерес може представляти процес сушіння у масо- обмінних модулях при радіаційному теплопідводі (ІЧ_і НВЧ_випромінювання). Встановлено, що основною конструкторською задачею при розробці ЗТП_сушарок безперервної дії є ефективне технічне рішення із трансформування ФМ у такі стрічки чи транспортери, що безупинно рухаються в рівнобіжних площинах. Для цих цілей варто орієнтуватися на конструкції двосторонніх і однобічних ФМ. Відзначено, що продуктивність безупинних ЗТП_сушарок, віднесена на одиницю площі стрічки чи транспортера, у 2...3 рази вища, ніж у стандартних стрічкових сушарок, а їх універсальність відповідає виробництву асортименту продукції, що виробляється сушильними підприємствами.

У восьмому розділі "Виробничі випробування технології та техніки сушіння у масообмінних модулях" наведене техніко-економічне обґрунтування створення підприємства з виробництва високоякісних сушених продуктів на базі фермерських і індивідуальних господарств. Структура такого підприємства містить у собі: фермерські (індивідуальні) господарства, що виробляють сушені напівфабрикати на універсальних ЗТП_сушарках з власної сировини; головне підприємство, що випускає готову продукцію. З урахуванням потужності електромереж у сільській місцевості, загальну потужність устаткування обрано таку, що не перевищує 30 кВт. Оскільки розбіжності у тривалості сушіння для вивченої сировини незначні, то відзначено можливість проводити процес зневоднювання ні по окремих групах сировини, а одночасно, складаючи з них необхідний набір при відповідних масових співвідношеннях. Тобто, за один цикл одержувати необхідний харчовий концентрат без операції дозування сушених компонентів.

Розроблену технологію можливо використовувати при виробництві:

-

-

-

-

-

Наведено відомості про іспити сушильних установок, впроваджених у виробництво технологій і проектно-конструкторської документації. Показано, що конструкторські рішення ЗТП_сушарок не вимагають видозмін допоміжних вузлів і є стандартними для сушильної техніки: вентилятор, привод конвеєра, теплопункт, система керування і контролю. Відсутні вузли, які б змінювали вимоги до техніки безпеки, погіршували екологічні показники устаткування чи висували особливі вимоги до виробничих приміщень і інфраструктури підприємства. Усе це підтверджує ефективність і перспективність застосування ЗТП _технології для виробництва сушених харчових продуктів.

ВИСНОВКИ

1. Сформульовано гіпотезу до теорії сушіння, як до процесу тепломасообміну у штучних пристроях _масообмінних модулях. Доведено, що штучні умови для утворення дисипативних структур