Введение к работе
'
Актуальность проблемы
Промышленная переработка сырья биологического происхождения представляет собой сложный комплекс последовательно выполняемых и взаимосвязанных механических, теплофизических, биотехнологических и других специфических процессов.
В современных условиях жёсткой конкуренции на рынке на первый план выдвигается проблема повышения эффективности переработки сырья биологического происхождения с выработкой качественных, биологически полноценных и безопасных в санитарном отношении пищевых продуктов. Повышение качества продукции и экономических показателей её производства во многом определяются достижениями в совершенствовании мас-сотеплообменных процессов. Решение такой проблемы связано с необходимостью развития научных основ теории массотеплопереноса с целью рационализации параметров и режимов массотеплообменных процессов, позволяющих повысить эффективность явлений переноса массы, теплоты, сократить продолжительность обработки сырья, сохранить и повысить качество готового продукта. Актуальность проблемы обусловлена также необходимостью разработки и создания научных основ процессов и проектных расчётов технологического оборудования.
Благодаря аналитическим и экспериментальным исследованиям теоретических основ молярно-молекулярного тепломассопереноса в отдельных процессах, выполненных Лыковым А.В., Роговым И.А., Лыковой А.В., Ивашовым В.И., Афанасовым Э.Э., Аксельрудом Г.А., Браж-никовым A.M., Карпычевым В.А., Семёновым Е.В., Пелеевым А.И., Вейником А.И., Большаковым О.В., Каухчешвили Э.И., Красниковым В.В., Космодемьянским Ю.В., Кутателадзе С.С, Кретовым И.Т., Кавец-ким Г.Д., Гинзбургом А.С., Михайловым Ю.А, Максимовым Г.А., Лебедевым Г.Д., Гуйго З.И, Якушевым О.И., Буйновым А.А., и другими, созданы научные основы этих процессов.
Анализ, имеющейся информации по результатам экспериментальных и теоретических исследований показывает, что кинетические закономерности различных видов массотеплопереноса, протекающих в сырье биологического происхождения при его переработке, имеют общие принципы выражения и могут быть описаны похожими зависимостями.
Кинетика переноса массы и теплоты в процессах переработки сырья биологического происхождения определяется разностью потенциалов переноса. Управляя значениями потенциалов переноса, можно избирательно (селективно) изменять соотношение вкладов отдельных видов диффузионно-фильтрационного массотеплопереноса, связанного скелетом продукта вещества, в виде газовой, парогазовой и жидкостной фаз, управлять их последовательностью в процессах массотеплообмена. Такой подход продик-
} рос национальная!
З і БИБЛИОТЕКА I
J С.Петервург jff) і
' 09 т$нс
тован требованиями к современной технологии и повышения эффективности переработки сырья биологического происхождения.
Вместе с тем, сложность явлений, протекающих в сырье биологического происхождения при его переработке, и недостаточность по этой причине полноты и чёткости физических представлений о механизмах массотеп-лопереноса, затрудняет его аналитическое описание и создание обобщённой теории, и совершенствование процессов, основанных на явлениях диффузионно-фильтрационного массотеплопереноса. До настоящего времени недостаточно изучены кинетические закономерности диффузионно-фильтрационного массотеплопереноса для ряда процессов переработки сырья биологического происхождения с учётом его структуры. Нет единого подхода к анализу механизма диффузионно-фильтрационного массотеплопереноса, недостаточное развитие получило аналитическое описание закономерностей внутреннего переноса газовой, парогазовой фаз в вакуумных процессах измельчения, перемешивания, формования, деаэрации, сушки и др. Изложенное свидетельствует о необходимости дальнейшего развития теоретических основ диффузионно-фильтрационного массотеплопереноса.
В этой связи автор полагает, что результаты выполненных им исследований актуальны и способствуют совершенствованию технологических процессов переработки сырья биологического происхождения. Диссертационная работа является обобщением результатов полученных, автором при выполнении госбюджетных и хоздоговорных НИР МГУПБ (МТИММП, МИНЬ, МГАГГБ), комплексных целевых программ "Продовольствие", "Пелагиаль"и работ в соответствии с координационным планом НИР и ОКР Минрыбхоза СССР в 1985-1990 г.
Целью работы является развитие теоретических основ диффузионно-фильтрационного массотеплопереноса и установлением взаимосвязи режимных параметров с учётом структуры продукта для повышения эффективности процессов переработки сырья биологического происхождения.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
изучить механизм диффузионно-фильтрационного массотеплопереноса на основе феноменологического подхода и анализа экспериментально-аналитических закономерностей изменения потенциалов переноса (избыточного давления, концентрации и температуры) в продуктах различной структуры при сбросе давления;
обобщить результаты исследований по влиянию концентрации газовой фазы на реологические и теплофизические свойства продуктов. Дать анализ динамики газонасыщения сырья в процессах его переработки;
разработать математические модели переноса газовой при вакуумном измельчении, перемешивании, формовании и парогазовой фаз - при вакуумных деаэрации и сушки;
на основе математического моделирования установить, проанализировать и обобщить кинетические закономерности диффузионно-фильтрационного массотеплопереноса в продуктах различной структуры при сбросе давления;
разработать численно-аналитический метод расчёта коэффициентов диффузионно-фильтрационного массотеплопереноса и обобщить их функциональную связь с режимными параметрами процесса;
разработать метод расчёта потенциалов диффузионно-фильтрационного массотеплопереноса с учётом кинетики их изменения в продуктах различной структуры;
разработать инструментальную методику по определению концентрации газовой фазы в пищевых продуктах, рекомендации по выбору режимов и расчёту параметров процессов удаления газовой и парогазовой фаз. Концепция и научные положения, выносимые на защиту. Единой концепцией решения поставленных задач служит развитие теории диффузионно-фильтрационного массотеплопереноса и установление взаимосвязи его потенциалов как основы для повышения эффективности процессов переработки сырья биологического происхождения. Формой реализации предложенной концепции являются следующие научные положения, защищаемые в диссертации:
научное обоснование развития принципов аналитического описания процесса переноса газовой фазы при вакуумном измельчении, перемешивании, формовании и парогазовой фазы при вакуумной деаэрации и сушке;
научное обоснование численно-аналитического метода определения значений потенциалов и коэффициентов диффузионно-фильтрационного массотеплопереноса;
научное обоснование методов комплексного исследования изменения концентрации газовой фазы и его влияния на реологические и теплофизи-ческие характеристики продуктов;
результаты экспериментальных и аналитических исследований кинетических закономерностей диффузионно-фильтрационного массотеплопереноса;
Научная новизна выражается в следующем:
разработана математическая модель диффузионно-фильтрационного массотеплопереноса с установлением взаимосвязи режимных параметров процессов переработки сырья биологического происхождения;
развиты представления о механизме переноса газовой фазы в продуктах различной структуры при вакуумной обработке (измельчении, перемешивании, формовании), парогазовой фазы в процессах вакуумной деаэрации и сушки на основе разработанной математической модели диффузионно-фильтрационного массотеплопереноса;
при решении внутренней задачи диффузионно-фильтрационного массотеплопереноса при сбросе давления получены обобщённые выражения, по-
зволяющие определять потенциалы переноса для одномерного распространения концентрации, температуры и давления в продукте, над свободной поверхностью которого резко понижается давление;
получено аналитическое описание процесса переноса газовой фазы при вакуумных измельчении, перемешивании, формовании, парогазовой фазы при вакуумных деаэрации и сушке; установлены кинетические закономерности, определяющие изменение избыточного давления, температуры и концентрации связанного вещества в продукте;
обобщены, полученные новые экспериментальные данные о значении концентрации газовой фазы, динамики её насыщения и влияния на реологические и теплофизические характеристики продуктов (предельное па-пряжение сдвига, эффективную вязкость, плотность, теплопроводность, теплоёмкость);
получены и обобщены экспериментальные кинетические закономерности переноса газовой фазы и релаксации избыточного давления в продуктах различной структуры при сбросе давления;
предложен и научно обоснован численно-аналитический метод определения значений коэффициентов диффузионно-фильтрационного массотеплопереноса на основе кинетики релаксации избыточного давления и удаления газовой, парогазовой фаз в продуктах различной структуры;
определены кинетические коэффициенты диффузионно-фильтрационного массотеплопереноса и влияние на них структуры продукта и режимных параметров процесса;
Практическая значимость работы. Научные исследования автора нашли применение в разработанных «Инструментальной методике выполнения измерений количества воздуха в пищевых продуктах», инженерной методика расчёта параметров процесса удаления газовой и парогазовой фаз и рекомендациях по выбору и расчёту параметров вакуумной обработки сырья, которые были апробированы и внедрены на ООО «Парад» (бывш. мясокомбинат «Астраханский»), ОАО «Владивостокский мясокомбинат», ОАО «Владивостокский рыбокомбинат», ОАО «Тёпло-Огарёвский молочный завод», рыбодобывающей компании «Посьетская», ОАО «Самсон» (бывш. Ленинградское производственное объединение мясной промышленности).
Разработана численно-аналитическая методика и программное обеспечение расчёта изменения полей давления, температуры и концентрации при диффузионно-фильтрационном массотеплопереносе и коэффициентов переноса с учётом динамики реальных процессов удаления газовой фазы при вакуумном измельчении, перемешивании, формовании и парогазовой фазы при вакуумной деаэрации и вакуумной сушке.
Полученные в диссертационной работе результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в учебном процессе при
проведении лекционных и практических занятий для подготовки студентов по специальностям 170600, 270900,271000 и 271100. Апробация работы. Основные положения и результаты исследований, выполненные автором в период 1985-2002 гг. были доложены и обсуждены: на YII научно-технической конференции «Проблемы и пути рационального использования сырья в маслоделии и сыроделии», Каунас, 1986 г.; II Всесоюзной и Всероссийской научно - технической конференции «Теоретические и практические аспекты применения методов ИФХМ с целью совершенствования и интенсификации технологических процессов пищевых производств», Москва, 1986, 1996, 2002 г.г.; Всесоюзной научно - технической конференции «Теоретические и практические аспекты ускорения научно - технического прогресса в мясной и молочной промышленности», Москва, 1987 г.; Приморской краевой научно-технической конференции «Интенсификация технологических процессов в рыбной промышленности», Владивосток, 1987, 1989 г.г.; научно-технической конференции «Теоретические и практические основы расчёта термической обработки пищевых продуктов», Москва, 1997 г.; III Всесоюзной научно - технической конференции «Разработка процессов получения комбинированных продуктов питания (медико-биологические аспекты, технология, аппаратурное оформление, оптимизация), Москва, 1988 г.; Всесоюзной научно -технической конференции «Проблемы безотходной технологии в молочной промышленности», Москва, 1988 г.; Всесоюзной научно-технической конференции «Автоматизация технологических процессов и производств в пищевой промышленности», Москва, 1989 г.; научно-технической конференции «Теоретические и практические основы развития процессов и аппаратов пищевых производств», Москва, 2001 г; IY международной научно-технической конференции «Пища. Экология. Человек», Москва, 2001 г., а также на научных конференциях МТИММП, МИПБ, МГАПБ и МГУПБ. Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 60 печатных работ, в том числе 5 монографий, 3 обзорных информации, авторское свидетельство и патент на изобретение, 52 статьи в академических, научно-практических, отраслевых журналах, сборниках научных трудов, книг и других отраслевых изданиях.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, основных результатов и выводов, списка литературы и приложения. Основное содержание работы изложено на 296 страницах машинописного текста, содержащего 23 таблицы, 59 рисунков и 134 страниц приложения. Список литературы содержит 193 наименования работ отечественных и зарубежных авторов.
Похожие диссертации на Развитие научных основ диффузионно-фильтрационного массотеплопереноса при переработке сырья биологического происхождения
