Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время возрастает актуальность проблемы равномерного и качественного обеспечения населения продуктами питания, а предприятий - сырьем. Решение этой проблемы связано с разработкой технологии, обеспечивающей продолжительный период хранения продуктов питания и пищевого сырья.
Сублимационная сушка - одно из эффективных направления сохранения пищевых продуктов, биологических материалов и медицинских препаратов. Преимущества этого способа определяются тем, что влага из продукта удаляется путем возгонки (сублимации) льда Это позволяет сохранить исходные свойства продукта (вкус, цвет, аромат, консистенцию, содержание витаминов и т. д.). Малая масса сублимированных продуктов (при изготовлении в виде порошков или гранул с последующим прессованием - и малый объем) облегчает и удешевляет транспортировку, особенно на большие расстояния, создает удобства дня широкого круга потребителей, особенно для геологов, туристов, альпинистов и др.
Основным препятствием для широкого внедрения сублимационной сушки в пищевую промышленность является сравнительно высокая стоимость получаемых продуктов за счет длительности и энергоемкости процесса
Причем вакуум-сублимационную сушку необходимо рассматривать как составную часть единого технологического процесса направленного на получение конечного продукта с максимальной эффективностью и наименьшими затратами на всех стадиях обработки, где каждая отдельная технологическая операция является отдельной научной проблемой с ограничениями, наложенными на нее изнутри - особенностями самого процесса, а из вне - смежными с ней технологическими операциями, особенностями продукта и всего технологического процесса в целом.
Основы физико-химической механики процесса интенсивного обезвоживания пищевых сред на основе вакуум-сублимационной сушки были заложены и развиты рядом отечественных ученых - А.В. Лыковым, А.С. Гинзбургом, А.А. Гухманом, Э.И. Гуйго, Э.И. Каухчешвили, А.П. Лебедевым, Д.П. Лебедевым, Б.П. Камовниковым, А.З. Волынцом, В.Г. Поповским, Н.К. Журавской, A.M. Бражниковым, П.А. Новиковым, Ю.А. Оленевым, Н.А. Фильчаковой, И.А. Радаевой, А.К. Каминарской, Э.Ф. Яушевой, В.А. Воскобойниковым, Н.Г. Алексеевым, Л.С. Малковым, Л.А. Бантыш, А.П. Васильевым, О.А. Поповым и др., а также зарубежными учеными - Е.В. Флосдорфом, А.Я. Эддом, Р. Харрисом, Р.И. Гривзом, И.С. Гарпером, А.Л. Таппелем, Х.Г. Кесслером, Л. Реем, О Сэндаллом и др.
При этом процессы интенсивного обезвоживания пищевых сред на основе вакуум-сублимационной сушки не имеют полного научного обеспечения, так как расчетные зависимости в большинстве случаев носят эмпирический характер с ограниченной зоной применения. Однако бурное развитие автоматизации технологических линий с использованием вычислительной техники требует точного математического описания процессов и элементов конструкций аппаратов. Это делает актуальным проведение обширных фундаментальных и прикладных исследований системы процессов интенсивного обезвоживания пищевых сред на основе вакуум-сублимационной сушки. Поэтому разработка системы процессов для интенсивного обезвоживания пищевых сред на основе вакуум-сублимационной сушки является важной и актуальной задачей, без решения которой невозможно создать технику и технологию с более высокими по отношению к существующим технико-экономическими показателями.
Работа проводилась в рамках основных направлений исследований кафедры машин и аппаратов пищевых производств соответствующих плану госбюджетной НИР (№ гос. регистрации 01970008818) «Тепло- и массооб- мен при высокоинтенсивной сушке продуктов животного и растительного происхождения», а также в рамках государственного контракта № П459 от 13.05.2010. на выполнение поисковых НИР по теме: «Разработка энергосберегающих технологий и оборудования для вакуум-сублимационного обезвоживания экстрактов растительного происхождения» в рамках обобщенной проблемы: «Разработка ресурсосберегающих технологий комплексной переработки сельскохозяйственного сырья» в рамках ФЦП «Научные и научно- педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы».
Цель и задачи исследования. Цель работы - развитие системы процессов для эффективного обезвоживания пищевых сред на основе фундаментальных и прикладных исследований вакуум-сублимационной сушки, обеспечивающих сокращение на 40-50 % продолжительность технологического цикла
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие основные задачи:
-
разработку математических моделей подготовительных процессов: выделения, разделения и концентрирования целевых компонентов из пищевых сред, создания развитой поверхности, замораживания;
-
разработку математических моделей процессов вакуум- сублимационной сушки пищевых сред: на инертных носителях во вращающемся барабане при нагреве инфракрасным излучением; с развитой пористой структурой в сверхвысокочастотном поле; с использованием теплового насоса; с использованием теплоты фазовых превращений; в присутствии неконденсирующихся газов.
-
изучение основных кинетических закономерностей процессов выделения, разделения, концентрирования целевых компонентов, создания развитой поверхности, замораживания, вакуум-сублимационной сушки из пищевых сред и выявление рациональной области режимных параметров, обеспечивающих получение готовой продукции высокого качества при эффективном использовании материальных и энергетических ресурсов;
-
разработку новых перспективных технических решений способов подготовки пищевых сред и проведения их вакуум-сублимационной сушки, а также конструкций оборудования для их осуществления с системами автоматического управления;
-
разработку математической модели оптимального функционирования технологической системы процессов интенсивного обезвоживания пищевых сред на основе вакуум-сублимационной сушки;
Научная концепция Создание качественно новых технологий и техники обезвоживания пищевых сред с использованием вакуум- сублимационной сушки на основе исследования их технологических свойств и особенностей тепло- массообмена дисперсных систем с осуществлением эффективного энергоподвода.
Научные положения выносимые на защиту:
-
разработка проблемно-ориентированных методов анализа и принятия решений по управлению процессами обезвоживания пищевых сред для обеспечения стабильного качества продукции, рационального использования материальных и энергетических ресурсов;
-
обоснование принципа комплексности обезвоживания пищевых сред на основе вакуум-сублимационной сушки;
-
обоснование принципов и методов предварительного удаления из пищевых сред преимущественно влаги с невысокой энергией ее связи с продуктом;
-
обоснование принципа создания развитой поверхности раздела фаз;
-
обоснование принципа целесообразности использования новых видов и способов подвода энергии в процессе вакуум-сублимационного обезвоживания пищевых сред имеющих различную структуру и технологические свойства.
Научная новизна. Разработаны концептуальные направления развития системы процессов обезвоживания пищевых сред на основе вакуум- сублимационной сушки, направленные на их интенсификацию, сбережение и рациональное использование материальных и энергетических ресурсов, что достигается моделированием и оптимизацией функционирования исследуемой технологической системы.
Разработаны модели подготовительных процессов: выделения и концентрирования целевых компонентов из пищевых сред, создания развитой поверхности, замораживания.
Разработана модель нагрева инфракрасным излучением слоя гранул во вращающемся барабане вакуум-сублимационной сушилки. Предложена качественная и количественная оценка распределения энергии проникающего лучистого потока внутри комбинированной гранулы, состоящей из инертного носителя и слоя замороженного материала, а также метод численного расчета профиля слоя гранул и времени перемещения отдельной гранулы вдоль барабана в установке непрерывного действия.
Разработана математическая модель внутреннего массообмена (и, в частности, объемного парообразования) в материале с развитой пористой структурой. Получена оценка изменения размеров и пористости материала в процессах вспучивания (при испарительном замораживании) и обезвоживания. Разработана математическая модель процессов кристаллизации и плавления влаги в объеме высокопористого материала, предложен способ численной реализации этой модели.
Получена формула для определения коэффициента диэлектрических потерь с учетом объемных долей различных составляющих влагосодержаще- го материала.
Разработаны неявные конечноразностные схемы для расчета полей температуры, влагосодержания и давления в процессах вакуум- сублимационной сушки.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
На основании выполненных исследований:
-
разработан комплекс экспериментальных стендов, действующих макетов, приборов и методик для исследования процессов интенсивного обезвоживания пищевых сред на основе вакуум-сублимационной сушки;
-
создан пакет прикладных программ на основе предложенных математических моделей, который позволяет проводить разносторонние исследования моделируемых процессов сушки на ЭВМ с целью изучения тепломассо- обменных и прочих процессов, протекающих в аппаратах для осуществления интенсивного обезвоживания пищевых сред; определения конструктивных параметров установок; выработки оптимальных режимов обезвоживания пищевых сред на основе вакуум-сублимационной сушки для различных материалов; создания рациональных схем управления системами (САПР, АСУ и т. д); на программы для ЭВМ «Обработка результатов моделирования процесса вакуум-сублимационной сушки материала на инертных носителях при нагреве инфракрасным излучением «Granule» и «Обработка результатов моделирования процесса мембранного разделения пищевых сред в тангенциальном режиме; получены свидетельства РОСПАТЕНТА о гос. регистрации № 2009610962,2010613148;
-
результаты теоретических и экспериментальных исследований включены в учебные пособия, использованы в курсовом и дипломном проектировании, лекционных курсах и НИР;
-
предложены схемы установок, обеспечивающих обезвоживание пищевых сред на основе использованием вакуум-сублимационной сушки, работающих в автоматическом режиме по энергосберегающей технологии с выдерживанием заданных качественных показателей продукта на выходе из аппаратов; техническая новизна выполненных по теме диссертации разработок защищена 76 авторскими свидетельствами и патентами; продана лицензия на патент 2224582.
-
разработанные образцы новых установок для осуществления ваку- ум-сублимацнонной сушки пищевых сред демонстрировались на Всероссийском выставочном центре (бронзовая и серебряная медали лауреата);
-
выполнены расчеты и разработана конструкторская документация на вакуум-сублимационную сушилку непрерывного действия;
-
результаты научных исследований системы процессов комплексного обезвоживания пищевых сред на основе вакуум-сублимационной сушки прошли промышленную апробацию в условиях: ассоциации «Воронежмолоко», ООО «Антарес», мясокомбината «Воронежский», ОАО «Сагуновский мясокомбинат», ООО «Давыдовский овощесушильный завод», филиала Воронежского облпотребсоюза "Мясомолочный комбинат", филиала ОАО Пивоваренная компания «Балтика»-«Балтика Воронеж», ликеро-водочного завода «Ви- сант».
Работа представляет обобщение результатов многолетних научных исследований соискателя, выполненных самостоятельно и в сотрудничестве на кафедре машин и аппаратов пищевых производств Воронежской государственной технологической академии.
Апробация работы. Основные результаты исследований, выполненные автором в период 1989-2010 годы доложены и обсуждены на международных и региональных научно-практических конференциях и семинарах (г. Казань 1989, 1996); (г. Пущино, 1990); (г. Москва, 1990, 1991, 1996); (Одесса, 1991); (г. Ленинград 1991); (Алушта, 1991); (г. Киев, 1991); (Кемерово, 1991); (г. Краснодар, 1992, 1993); (г. Пенза, 1993); (г. Могилев, 1995, 1997, 1998); (г. Волгоград 1995); (г. Тула, 1996); (г. Казань, 1996); (г. Санкт - Петербург, 1996); (г. Воронеж, 1996, 1997, 1998, 2008, 2010); (г. Алматы, 1996); (г. Минск, 1996); (Санкт-Петербург, 1999); (г. Калининград 1999); отчетных научных конференциях ВГТА (Воронеж, 1993-2011), демонстрировались на ВДНХ - 1991 (серебряная медаль), во Всеросийском Выставочном Центре - 1993 (медаль лауреата и диплом почета ВВЦ), в Политехническом музее г. Москвы (сертификат музея), а также на 87 международных выставках, по итогам которых работа награждена 93 дипломами.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 120 печатных работах, в том числе в 2 монографиях, 6 учебных пособиях, 24 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций, 68 авторских свидетельствах и патентах и 2 свидетельств о гос. регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Д иссертация изложена в двух томах. Первый том состоит из введения, семи глав, основных выводов и результатов, списка литературы, включающей 335 наименований. Основное содержание работы изложено на 398 е., содержит 259 рисунков и 47 таблиц. Второй том состоит из приложений к диссертации объемом 238 страниц.
