Максименко Юрий Александрович. Развитие научно-практических основ и совершенствование процессов сушки растительного сырья в диспергированном состоянии : Maksimenko Yuri Alexandrovich. Development of scientific and practical foundations and improvement of drying processes of vegetable raw materials in a dispersed state

Краткое описание

Максименко Юрий Александрович. Развитие научно-практических основ и совершенствование процессов сушки растительного сырья в диспергированном состоянии: диссертация ... доктора Технических наук: 05.18.12 / Максименко Юрий Александрович;[Место защиты: Воронежский государственный университет инженерных технологий].- Воронеж, 2016

Федеральное агентство по рыболовству
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Астраханский государственный технический университет»
На правах рукописи
МАКСИМЕНКО ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ
РАЗВИТИЕ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИХ ОСНОВ И
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СУШКИ РАСТИТЕЛЬНОГО
СЫРЬЯ В ДИСПЕРГИРОВАННОМ СОСТОЯНИИ
05.18.12 - «Процессы и аппараты пищевых производств»
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук
Научный консультант - доктор технических наук, профессор АЛЕКСАНЯН ИГОРЬ ЮРЬЕВИЧ
Астрахань - 2016
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 7
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В ПЕРЕРАБОТКЕ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ: ХАРАКТЕРИСТИКА СЫРЬЯ И ПРОДУКТОВ, ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ, ПЕРСПЕКТИВЫ И ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА 23
1.1 Общая характеристика растительного сырья и сухих
дисперсных продуктов 23
1.2 Перспективы производства и области использования сухих
дисперсных продуктов из растительного сырья 29
1.3 Анализ современных технологий переработки
растительного сырья 31
1.4 Теоретические предпосылки моделирования процесса
сушки растительных продуктов 37
1.5 Анализ перспективных способов и конструкторских решений для производства сухих дисперсных материалов из
растительного сырья 42
1.6 Анализ литературного обзора, научная концепция 62
ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ, ГИГРОСКОПИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРОДУКТОВ И КОНЦЕНТРАТОВ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ 68
2.1 Краткая характеристика внутреннего строения и физиологии
растительного материала 68
2.2 Теплофизические и структурно-механические характеристики
продуктов и концентратов из растительного сырья 74
2.2.1 Исследование плотности 77
2.2.2 Исследование удельной теплоемкости 87
2.2.3 Исследование теплопроводности 92
2.2.4 Исследование температуропроводности 98
2.2.5 Анализ результатов 100
2.3 Анализ гигроскопических характеристик и механизма взаимодействия с водой продуктов из растительного сырья 102
2.3.1 Экспериментально-аналитическое исследование
гигроскопических характеристик 103
2.3.2 Механизм взаимодействия продуктов из растительного
сырья с водой 105
2.3.3 Математическое описание процесса сорбции паров влаги
продуктами из растительного сырья 113
2.3.4 Экспериментально-аналитическое исследование влияния
температуры на гигроскопические характеристики 115
2.3.5 Аналитический метод расчета процессов сорбции водяного
пара продуктами из растительного сырья 118
2.3.6 Анализ влияния степени измельчения продуктов на
процессы их взаимодействия с водой 122
2.4 Экспериментально-аналитическое исследование
кинетики влагопоглощения сухими растительными материалами 125
2.5 Механизм взаимодействия растительных экстрактов с водой 130
2.6 Терморадиационные и оптические характеристики
плодоовощных концентратов 132
2.7 Основные выводы и результаты 135
ГЛАВА 3. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВНУТРЕННЕГО МАССОПЕРЕНОСА ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ПРОДУКТОВ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ С ВОДОЙ 138
3.1 Т ермодинамика внутреннего массопереноса при взаимодействии продуктов из растительного сырья с водой 138
3.2 Фазовые превращения при внутреннем тепло- и
массопереносе в процессе сушки растительных материалов 143
3.3 Эффективность использования тепловой энергии с
учетом термодинамических потерь тепла в процессе обезвоживания 146
3.4 Аналитический метод расчета термодинамических параметров 154
3.5 Термодинамический анализ внутреннего массопереноса
при взаимодействии растительных экстрактов с водой 156
3.6 Основные выводы и результаты 158
ГЛАВА 4. МЕХАНИЗМ ВНУТРЕННЕГО ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ПРИ СУШКЕ В ДИСПЕРГИРОВАННОМ СОСТОЯНИИ ПРОДУКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ 159
4.1 Исследование кинетики конвективной распылительной
сушки растительных материалов 160
4.2 Исследование кинетики конвективно-радиационной
распылительной сушки растительных материалов 171
4.3 Исследование процессов формирования капиллярно-пористой
структуры и изменение структурно-механических свойств продуктов при распылительной сушке растительных материалов 183
4.4 Анализ механизма внутреннего тепломассопереноса
при распылительной сушке растительных материалов 195
4.5 Исследование кинетики конвективно-радиационной
сушки плодоовощных продуктов во взвешенном состоянии 203
4.6 Анализ механизма внутреннего массопереноса при конвективно-радиационной сушке плодоовощных продуктов
во взвешенном состоянии 210
4.7 Основные выводы и результаты 220
ГЛАВА 5. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СУШКИ ПРОДУКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
В ДИСПЕРГИРОВАННОМ СОСТОЯНИИ 223
5.1 Совершенствование тепломассообменных процессов и анализ
влияния основных факторов на эффективность обезвоживания при конвективной распылительной сушке растительных материалов 223
5.2 Разработка режимных параметров конвективной
распылительной сушки 229
5.3 Анализ влияния основных факторов на производительность
при конвективно-радиационной распылительной сушке плодоовощных пюре 234
5.4 Разработка рационального режима конвективно-
радиационной распылительной сушки плодоовощных пюре 238
5.5 Совершенствование тепломассообменных процессов и
анализ влияния основных факторов на эффективность обезвоживания при конвективно-радиационной сушке плодоовощных продуктов во взвешенном состоянии 240
5.6 Критериальное уравнение рационализации сушки
кусковых продуктов во взвешенном состоянии 245
5.7 Анализ технологий производства сухих дисперсных растительных
материалов, рациональные режимы и выбор способа сушки 255
5.8 Выводы по разделу 260
ГЛАВА 6. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА И РАСЧЕТ ПОЛЕЙ ТЕМПЕРАТУР В МАТЕРИАЛЕ ПРИ СУШКЕ ПРОДУКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ В ДИСПЕРГИРОВАННОМ СОСТОЯНИИ 262
6.1 Математическая модель тепломассопереноса при
конвективной распылительной сушке растительного материала 262
6.2 Математическая модель тепломассопереноса при конвективно-радиационной распылительной сушке
растительного материала
6.3 Математическая модель тепломассопереноса и учет усадки
при распылительной сушке частиц растительного материала 276
6.4 Выводы по разделу 279
ГЛАВА 7. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРОЕКТНО¬ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ 280
7.1 Тестирование и практическая реализация режимных параметров конвективной распылительной сушки
растительных материалов 280
7.2 Тестирование режимных параметров конвективно¬радиационной распылительной сушки растительных материалов 288
7.3 Анализ качества сухих дисперсных растительных материалов 291
7.4 Алгоритм разработки комбинированных рациональных
режимов 2-х зонной распылительной сушки 296
7.5 Автоматизированный расчет физико-химических свойств растительных материалов и рациональных параметров
процесса их сушки 298
7.6 Конструкторские решения для организации эффективной сушки и других процессов при производстве сухих дисперсных
материалов из растительного сырья 298
7.7 Промышленное внедрение и практическое использование
результатов исследований 307
7.8 Общие рекомендации по практическому использованию
результатов исследований 311
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 314
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 318
ПРИЛОЖЕНИЯ 353

Список литературы

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
1) Систематизированы и обобщены результаты экспериментов и данные литературных источников, установлены и проанализированы зависимости для расчета теплофизических, структурно-механических и гигроскопических характеристик продуктов и концентратов из растительного сырья в реальных диапазонах изменения их влажности и температуры в процессе сушки.
2) Проведен анализ и дана оценка влиянию степени измельчения капиллярно - пористой клеточной структуры, температуры и влажности растительного материала на теплофизические, структурно-механические и гигроскопические характеристики продуктов и концентратов из растительного сырья.
3) Исследован механизм взаимодействия продуктов и концентратов из растительного сырья с водой, дана характеристика растительным материалам как объектам сушки, представлена классификация видов и энергий связи влаги с растительным сырьем в увязке с процессом обезвоживания. Разработан аналитический метод расчета процессов сорбции водяного пара продуктами и концентратами из растительного сырья.
4) Установлены зависимости сорбционной активности сухих растительных материалов от относительной влажности и температуры воздуха рабочих зон для расчета рациональных промежутков времени при выполнении технологических операций по переработке, транспортировке, фасовке, упаковке и др.
5) Проанализирован механизм и особенности внутреннего массопереноса при взаимодействии продуктов и концентратов из растительного сырья с водой. Дана оценка эффективности использования тепловой энергии с учетом термодинамических потерь тепла в процессе обезвоживания.
6) Разработан аналитический метод расчета термодинамических параметров, дифференциальных изменений свободной энергии, связанной энергии и теплового эффекта сорбции при взаимодействии продуктов и концентратов из растительного сырья с водой. Для практического применения, определения физико-химических характеристик и расчета термодинамических параметров разработаны программы для ЭВМ (Свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2013614147, №2014613311, 2015619010, 2015619046) и получен патент на полезную модель 120236РФ.
7) Исследован механизм внутреннего тепломассопереноса при сушке в диспергированном состоянии продуктов переработки растительного сырья. Дана комплексная оценка тепломассообмену и внутреннему тепломассопереносу при сушке растительного сырья в диспергированном состоянии. Проанализирован механизм влагоудаления при формировании капиллярно-пористой структуры растительных материалов при конвективной и конвективно-радиационной распылительной сушке. Исследован процесс конвективно-радиационной сушки во взвешенном состоянии плодоовощных продуктов.
8) Установлены закономерности изменения во времени процесса комплекса основных параметров высушиваемого продукта (переменные во времени процесса свойства, форма, размер, структура частиц), которые оказывают влияние на характер и скорость тепломассообменных процессов при конвективной и конвективно-радиационной распылительной сушке. Установлены функциональные зависимости скорости сушки для различных растительных материалов при различных режимах для расчета рациональных параметров и времени процесса сушки при проектировании сушильной техники.