Анотація до роботи:

Погожих М.І. Наукові основи теорії та техніки сушіння харчової сировини у масообмінних модулях. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.18.12 – процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв. – Харківська державна академія технології та організації харчування Міністерства освіти і науки України, Харків, 2002.

Дисертацію присвячено розробці теорії сушіння у масообмінних модулях, теоретичному та експериментальному обґрунтуванню раціональних режимів виробництва асортименту сушених харчових продуктів. На підставі положень нерівноважної термодинаміки знайдено умови, за яких процеси тепло- і масообміну при сушінні можуть бути значно інтенсифіковані. Реалізувати ці умови запропоновано у масообмінному модулі, який є моделлю реальних пристроїв. У разі використання гарячого повітря, як теплоносія, цей пристрій названо функціональною місткістю (ФМ), а спосіб - сушіння змішаним теплопідводом (ЗТП). Доведено, що ФМ із сировиною треба розглядати як об’єкт сушіння, а кінетика і критичні особливості процесу залежать як від зовнішніх, так і від внутрішніх чинників здійснення процесу. Встановлено, що гідродинаміка обтікання масообмінного зазору ФМ є визначальним чинником процесу. Термодинамічна модель процесу стверджує, що ФМ має два стани, один з яких хитливий з максимумом вільної енергії, а другий - стійкий з мінімумом вільної енергії. Наведена модель формулює принцип сушіння у ФМ: створення зовнішніх умов для переходу системи зі слабовідкритого у відкритий стан; створення внутрішніх умов для підтримки нерівноваги на відрізку часу, достатньому для повного здійснення процесу. Перше стосується задач сушильної техніки, друге - технології сушіння. Дослідженнями і впровадженнями у виробництво доведено високу ефективність ЗТП- сушіння.

1. Сформульовано гіпотезу до теорії сушіння, як до процесу тепломасообміну у штучних пристроях - масообмінних модулях. Доведено, що штучні умови для утворення дисипативних структур можуть виключати чи істотно обмежувати негативну роль поверхні матеріалу в процесі масообміну. Встановлено, що для перевірки гіпотези необхідно використовувати масообмінний модуль, що утворює із зовнішнім середовищем активну границю розділу. Ідентифіковано два основних класи процесу зневоднювання: без зміни агрегатного стану води і сушіння. Визначено, що для сушіння необхідно застосовувати місткість, у якій розташовується сировина, що зневоднюється, - функціональна місткість (ФМ). За цих умов об’єкт сушіння (ФМ з вологим матеріалом) минає стан з максимумом вільної енергії. Принципи створення таких штучних умов для процесу тепломасообміну при сушінні є основою формулювання наукової концепції роботи.

2. Досліджено кінетику та встановлено особливості сушіння окремих видів харчової сировини у ФМ. Встановлено, що усадка сировини під час сушіння в ІФМ призводить до погіршення теплообміну та блокуванню зневоднення. З метою зменшення пластичних властивостей окремих видів сировини запропоновано використовувати їх попереднє заморожування.

Знайдено, що тривалість сушіння в УФМ визначається температурою та швидкістю сушильного агенту. При швидкості сушильного агенту 4,0 …2,5 м/с тривалість сушіння більша майже на порядок за тривалість сушінням при швидкостях 10…15 м/с. Такий вплив швидкості сушильного агенту на процес сушіння у ФМ є універсальним та не залежить від природи вихідної сировини. Встановлено, що режим сушіння та геометричні розмірами ФМ є зовнішніми, а ступінь здрібнювання та ступень заповнення ФМ – внутрішніми чинниками, що обумовлюють кінетику і критичні особливості процесу сушіння харчової сировини у ФМ.

Встановлено, що кінетика сушіння в ФМ має три періоди: період нагрівання матеріалу і зростання швидкості сушіння; період максимальної швидкості сушіння; період убутної швидкості сушіння. При цьому перші два періоди є “чутливими” стосовно режиму сушіння і властивостей сировини.

3. Визначено, що кінетика температури сировини має дві характерні критичні точки, одна з яких є максимумом величини температури, а друга - мінімумом. На положення цих точок у координатах температура – час (вологовміст) впливають як зовнішні, так і внутрішні чинники процесу сушіння. Отримано рівняння, які описують положення цих точок у залежності від швидкості сушильного агенту для різних видів харчової сировини.

Встановлено, що при сушінні у ФМ основний потік теплоти до зони випаровування вологи надходить через теплообмінну стінку ФМ. Рушійна сила переносу теплоти (градієнт температури) визначається її розсіюванням у зоні сировини де спостерігається максимальна інтенсивність випаровування вологи. Встановлено, що при сушінні у ФМ визначальними чинниками процесу теплопередачі є ефективний пористий простір та швидкість сушильного агенту. Доведено, що за умов сушіння у ФМ на зовнішній теплообмін не впливає процес масообміну, тому коефіцієнт тепловіддачі можна розраховувати за критеріальними рівняннями для теплообміну з твердою стінкою. Встановлено, що масообмінні зазори збурюють тепловий пограничний шар, тому для розрахунку числа Рейнольдса запропоновано використовувати поправку до швидкості сушильного агенту. Встановлено, що тільки за умов певної швидкості обтікання сушильним агентом масообмінного зазору може бути здійснено процес зневоднення сировини у ФМ.

Знайдено, що на протязі другого періоду сушіння випаровування вологи відбувається за рахунок накопиченої внутрішньої енергії сировини, а сам процес проходить через максимум вільної енергії. Доведено, що висока вологовбирна здатність сушильного агенту обумовлюється зростанням його ентальпії за рахунок теплоти, що надходить через стінку ФМ. Це обумовлює наближення витрат енергії на випаровування вологи при сушінні у масообмінних модулях до питомої теплоти пароутворення.

4. Запропонована термодинамічна модель процесу сушіння заснована на тому, що ФМ має два стани, один з яких хитливий з максимумом вільної енергії, а другий стійкий з мінімумом вільної енергії. Показано, що обидва стани не критичні стосовно температури (до 100С) і вологості (до 100%) сушильного агенту. Аналізом моделі встановлено, що у процесі сушіння не може існувати періоду постійної швидкості, а основними чинниками процесу є флуктуації зовнішнього середовища у масообмінному зазорі й усередині ФМ. Зовнішні флуктуації обумовлюються вихровою течією сушильного агенту поблизу массообмінного зазору, а флуктуації усередині ФМ – розвитком поверхні випару. Доведено, що розвиток поверхні випару визначає рівномірність зневоднювання і кінетику температури сировини по зонах. Встановлено, що конвекційна складова у загальному потоці пароповітряної суміші залежить від ефективного пористого простору та опору масообмінного зазору. За умов випаровування потік має упорядкований характер, а без випару - вихровий.

ЯМР- дослідженнями поводження вологи при сушінні встановлено, що вода минає три стійкі рівноважні стани, а перехід між цими станами визначає динаміку взаємодії води з сухою речовиною сировини.

За допомогою розробленої моделі сформульовано принципи сушіння у масообмінних модулях, пояснені всі особливості процесу, що доводить фізичну коректність моделі.

5. Встановлено, що на відновлюваність продукції впливає природа сировини, температура сушіння й ефективний пористий простір. Отримано рівняння для визначення кінетики і тривалості відновлюваності та обчислення рівноважних вологовмістів асортименту продукції.

Вплив процесу, що щадить на зміст біологічно активних речовин, обумовлений низькою інтегральною температурною дією на сировину, малою тривалістю процесу і відсутністю безпосереднього контакту з потоком сушильного агенту. Визначені гранично припустимі величини температури сушіння, що забезпечують збереженість колірної гами продукції. Величини цих температур коливаються в межах 70С… 85С та залежать від виду вихідної сировини. Визначено вимоги до пакувальних матеріалів для збереження сушеної продукції.

6. Розроблено універсальну технологічну схему ЗТП- сушіння харчової сировини та вимоги до операцій попередньої підготовки. Складено техноло- гічні карти раціональних режимів сушіння у масообмінних модулях.

Розроблено методику розрахунку сушарок з функціональними місткостями. Доведено, що обов’язковою умовою інженерно-конструкторських рішень є необхідність дотримання вимог до функцій масообмінного модуля. Вибір ефективного способу теплопідводу (у тому числі й радіаційного) та трансформація ФМ у стрічки, що рухаються, є основою для розробки промислових сушарок безупинної дії. За результатами досліджень визначено напрямки розвитку розробленої технології та техніки сушіння харчової сировини.

7. Розроблено техніко-економічне обґрунтування підприємства з виробництва високоякісних сушених харчових продуктів. У структуру підприємства входять фермерські і індивідуальні господарства, де виробляються сушені напівфабрикати, та головне підприємство, яке виробляє готову продукцію у вигляді наборів харчових концентратів, харчових фарбників тощо. Проведені іспити та впровадження у виробництво технологій, проектно-конструкторської документації і сушильного устаткування. Наявні відкликання й акти про впровадження результатів досліджень підтверджують ефективність і перспективність застосування технології і техніки сушіння у масообмінних модулях для виробництва сушених харчових продуктів.

Публікації автора:

1. Симовьян С.В., Жуков В.В., Погожих Н.И., Благоразумова О.В. Влияние влажности мясных пищевых продуктов на технологические особенности их обработки в поле СВЧ// Общественное питание. - К.: Техника, 1989.- Вып.25.- С. 67-71.

2. Применение метода ЯМР для исследования водного компонента пирожков печеных/ Жуков В.В., Погожих Н.И., Матяш Е.Т., Шильман Л.З., Постнова О.Н.// Общественное питание. - К.: Техника, 1990.- Вып.26.- С. 105-108.

3. Сухой быстровосстанавливаемый картофель - полуфабрикат высокой степени готовности/ Гришин М.А., Жуков В.В., Погожих Н.И., Кухарчук О.В.// Современные аспекты индустриализации общественного питания: Сб.научн.тр. - Харьков: ХИОП, 1990.- С.92-94.

4. Исследование некоторых качественных показателей сухого высокопористого картофеля/ Гришин М.А., Жуков В.В., Погожих Н.И., Томашевская Р.Я. // Изв.ВУЗов. Пищевая технология.- 1990.-№1.- С.43-45.

5. Погожих Н.И., Червинский Г.Н. Исследование процесса сушки со смешанным теплоподводом//Технология и качество пищевых продуктов: Сб.научн.тр. - Харьков: ХИОП, 1992.- С.10-14.

6. Гришин М.А., Погожих Н.И., Потапов В.А. Тепловая сушка творога//Прогрессивные технологии и формирование рыночных отношений в общественном питании: Сб.научн.тр. - Харьков:ХИОП - 1992.- С.57-60.

7. Исследование качественных показателей сушеных мясных полуфабрикатов высокой степени готовности/ Гришин М.А., Погожих Н.И., Потапов В.А., Шубина Л.Ю. //Прогрессивные технологии и формирование рыночных отношений в общественном питании: Сб.научн.тр. - Харьков: ХИОП, 1992.- С.99-102.

8. Погожих Н.И., Потапов В.А. Экспериментальное моделирование сушки капиллярно-пористых тел со смешанным теплоподводом//Перспективы развития общественного питания: Сб.научн.тр.- Харьков:ХИОП, 1993.- С.40-42.

9. Гришин М.А., Погожих Н.И., Потапов В.А. Особенности кинетики СТП-сушки пищевых растительных материалов// Проблемы общественного питания на пути к рынку: Сб.научн.тр. –Харьков: ХИОП, 1993.- С.167-171.

10. Погожих Н.И., Потапов В.А. Рациональные режимы и условия процесса СТП-сушки овощей// Новые технологии пищевых производств и актуальные проблемы развития торговли и общественного питания: Сб.научн. тр.- Харьков: ХГАТОП - 1995.- С.228-230.

11. Погожих Н.И., Потапов В.А, Сомов А.С. Экспериментальная установка для моделирования процесса СТП-сушки// Новые технологии пищевых производств и актуальные проблемы развития торговли и общественного питания: Сб.научн. тр. - Харков: ХГАТОП, 1995.- С.268-269.

12. Погожих М.І., Потапов В.О., Сомов О.С. Реалізація процесу ЗТП-сушіння на малогабаритній установці для виробництва високопористого, швидковідновлювального гарбуза//Розвиток масового харчування, готельного господарства і туризму в умовах ринкових відносин: Зб.наук.пр.- Київ: КДТЕУ, 1996.- С.166-170.

13. Разработка рациональных режимов сушки крови убойных животных в зависимости от способа высушивания/ Евлаш В.В., Лерина И.В., Погожих Н.И., Розанова Е.Д. // Актуальні науково-методичні проблеми в підготовці спеціалістів вищої кваліфікаціїї для торгівлі і харчування : Зб.наук.пр. - Харків. : ХДАТОХ, 1997.- Ч. 1. - С. 127-132.

14. Влияние степени заполнения функциональных емкостей на производительность процесса СТП- сушки Черевко А.И., Погожих Н.И., Потапов В.А., Иващенко С. С./ // Актуальні науково-методичні проблеми в підготовці спеціалістів вищої кваліфікаціїї для торгівлі і харчування: Зб.наук.пр.- Харків: ХДАТОХ, 1997.- Ч.1.- С. 157-161.

15. Погожих Н.И., Цуркан Н.М., Потапов В.А. Исследование процесса сушки материалов смешанным теплоподводом вблизи критических режимов// Актуальні науково-методичні проблеми в підготовці спеціалістів вищої кваліфікаціїї для торгівлі і харчування / Зб.наук.пр.- Харків: ХДАТОХ, 1997.- Ч.1.- С. 343-346.

16. Погожих Н.И. Основы технологии и техники сушки материалов смешанным теплоподводом // Актуальні науково-методичні проблеми в підготовці спеціалістів вищої кваліфікаціїї для торгівлі і харчування: Зб.наук.пр.- Харків: ХДАТОХ, 1997.- Ч.1. - С. 358-361.

17. Погожих Н.И., Сомов А.С., Потапов В.А. Новая технология сушки пищевых продуктов// Придніпровський науковий вісник. Сер. “Машинобудування”.- Дн: Наука і освіта.- 1997.- С.1-3.

18. Новая технология сушки пищевых продуктов/ Черевко А.И., Погожих Н.И., Потапов В.А., Иващенко С.С. //Питание и общество.- 1997.- №3- С.33-35.

19. Погожих Н.И., Цуркан Н.М., Потапов В.А. Изучение процесса СТП- сушки модельного тела при переменных режимах// Прогресивні ресурсо- зберігаючі технології та їх економічна обгрунтованність у підприємствах харчування. Економічні проблеми торгівлі: Зб.наук.пр. - Харків: ХДАТОХ, 1998.- Ч.1.- С.108-111.

20. Погожих Н.И. Косвенный метод изучения кинетики конвективной сушки материалов // Прогресивні ресурсозберігаючі технології та їх економічна обгрунтованість у підприємствах харчування. Економічні проблеми торгівлі: Зб.наук. пр.- Харків: ХДАТОХ.- 1998.- Ч. 1- С. 111-114.

21. Погожих Н.И., Потапов В.А., Цуркан Н.М. Анализ кинетики СТП-сушки при переменных режимах// Прогресивні ресурсозберігаючі технології та їх економічна обгрунтованність у підприємствах харчування. Економічні проблеми торгівлі: Зб.наук.пр. - Харків: ХДАТОХ, 1998.- Ч.1.- С.117-120.

22. Погожих Н.И., Сомов А.С., Потапов В.А. Распределение статического давления на поверхности функциональной емкости// Прогресивні ресурсо- зберігаючі технології та їх економічна обгрунтованність у підприємствах харчування. Економічні проблеми торгівліі: Зб.наук.пр. - Харків: ХДАТОХ, 1998.- Ч. 1.- С.140-143.

23. Вміст та структура вологи у кулінарних виробах із ферментованого м’яса / Жуков В.В., Коваленко В.О., Леріна І.В, Погожих М.І. // Удосконалення технології та організації масового харчування готельного господарства і туризму: Зб.наук.пр.- Київ: КДТЕУ, 1998.- С.108-111.

24. Цуркан Н.М., Погожих Н.И., Потапов В.А. Влияние степени заполнения функциональных емкостей на кинетику СТП-сушки// Нові технології та удосконалення процесів харчових виробництв: Зб.наук.пр. - Харків: ХДАТОХ, 1999.- С. 171-174.

25. Погожих Н.И. Особенности тепломассообменных процессов при сушке смешанным теплоподводом// Нові технології та удосконалення процесів харчових виробництв: Зб.наук. праць- Харків: ХДАТОХ, 1999.- С. 204-208.

26. Цуркан Н.М., Погожих Н.И., Потапов В.А. Экспериментальный метод определения эффективных теплообменных характеристик капиллярно-пористых тел// Технологии в машиностроеннии: Весник ХГПУ.- Харьков: ХГПУ, 2000.- Вып.89.-С. 57-60.

27. Постнов Г.М., Погожих Н.И., Варыпаева Л.М. Разработка технологии производства пищевых концентратов и их применение// Прогресивні технології та удосконалення процесів харчових виробництв: Зб.наук.пр.- Харків: ХДАТОХ, 2000.- Ч. 1.- С. 100-104.

28. Погожих Н.И., Сомов А.С., Потапов В.А. Гидравлические характеристики канала сушильного агента для СТП-сушки // Прогресивні технології та удосконалення процесів харчових виробництв: Зб.наук.пр. - Харків: ХДАТОХ, - 2000.- Ч. 2. - С. 16-20.

29. Погожих Н.И. Механизмы тепломассообмена при СТП-сушке //Прогресивні технології та удосконалення процесів харчових виробництв: Зб.наук.пр.- Харків: ХДАТОХ.- 2000. - Ч. 2.- С. 49-53.

30. Погожих Н.И., Цуркан Н.М., Потапов В.А. Влияние размеров функциональной емкости на продолжительность СТП-сушки// Прогресивні технології та удосконалення процесів харчових виробництв: Зб.наук.пр.- Харків: ХДАТОХ, 2000.- Ч. 2.- С. 134-137.

31. Гришин М.О., Погожих М.І., Потапов В.О. Модель процесу сушіння змішаним теплопідводом // Наукові праці: Зб.наук.пр.- Одеса: ОДАХТ, 2001.- Вип.22.- С.17-20 .

32. Гришин М.А., Погожих Н.И., Потапов В.А. Модель динамического структурирования влаги в процессе сушки //Промышленная теплотехника.- 2001.- Т.23.- № 4-5.- С. 100-105.

33. Погожих Н.И. Образование диссипативных структур и температура материала в процессе сушки смешанным теплоподводом // Прогресивні ресурсозберігаючі технології та їх економічне обґрунтування у підприємствах харчування. Економічні проблеми торгівлі: Зб.наук.пр.- Харків: ХДАТОХ, 2001.- Ч. 1.- С. 322-327.

34. Способ сушки картофеля : А.с. 1517902 СССР, МКИ А 23 В 7/03, А 23 L 1/216 / М.А. Гришин, Н.И. Погожих, В.В. Жуков (СССР).- № 43001883/13; Заявл. 22.06.88; Опубл. 22.6.89, Бюл. №40.- 3с.

35. Пат. 2096962 РФ, МКИ⁶ А 23 В 7/03. Способ сушки пищевых продуктов: / Н.И. Погожих, В.А. Потапов, Н.М. Цуркан (Украина).- № 94033280/13; Заявл.13.09.94; Опубл. 27.11.97.; Бюл. №33.- 4 с.

36. Гришин М.А., Жуков В.В., Погожих Н.И. Влияние температуры на продолжительность сушки картофеля// Труды Всес. науч.-техн. конф. ”Проблемы влияния тепловой обработки на пищевую ценность продуктов питания” - Харьков: ХИОП.- 1990.- С. 231-232.

37. Гришин М.А., Погожих Н.И., Шубина Л.Ю. Сушеное вареное мясо и его применение в общественном питании// Труды Всес. науч.-техн. конф. ”Проблемы влияния тепловой обработки на пищевую ценность продуктов питания”.- Харьков: ХИОП- 1990.- С. 374-375.

38. Погожих Н.И. Технология и особенности процесса сушки со смешанным теплоподводом// Труды Всес. науч.-техн. конф. ”Разработка комбинированных продуктов питания. (Медико-биологические аспекты, технология, аппаратурное оформление, оптимизация)”.- Кемерово:КемТИПП.- 1991.- С.110-112.

39. Research of the drying process of materials by mixed heat transfer / Grishin M.A., Zhukov V.V., Pogozhih N.I., Potapov V.A. // Abstracts of Reports International conference “Heat and Mass Transfer in Technological Process”.- Jurmala.- 1991.- P.13-15.

40. Гришин М.А., Жуков В.В., Погожих Н.И. Технология получения картофельного порошка// Труды Всес. науч.-техн. конф.”Механика сыпучих материалов”.- Одесса: ОТИПП- 1991.- С.210.

41. Гришин М.А., Погожих Н.И., Жуков В.В. Формирование структуры материала в процессе сушки// Труды 2-ого Междун. форума ”Тепломассообмен”.- Киев: ИТТФ НАН Украины.- 1992.- С.63-65.

42. Погожих Н.И. Динамический характер поведения влаги в полидисперсных системах при сушке// Труды 2-огоМеждун. форума ”Тепломассообмен”.- Киев:ИТТФ НАН Украины.- 1992.- С.217-219.

43. Погожих Н.И., Потапов В.А., Сомов А.С. Особенности производства сушеных быстровосстанавливаемых продуктов на сушильной установке со смешанным теплоподводом// Праці Міжн. наук.-пр. конф. ”Розвиток масового харчування, готельного господарства і туризму в умовах ринкових відносин”.- Київ:КДТЕУ.- 1994.- С.95.

44. Гришин М.А., Погожих Н.И., Потапов В.А. О механизме колебательного фильтрационного переноса в процессе сушки со смешанным теплоподводом// Труды Междун. конф ”Перспективы развития массового питания и торговли в условиях перехода к рыночной экономике”.- Харьков:ХГАТОП- 1994.- С.63-64.

45. Погожих Н.И., Потапов В.А. Исследование давления внутри материала при СТП-сушке// Труды науч.-практ. конф. ”Потребительская кооперация в переходный период. Проблемы и перспективы”.- Полтава:ПКИ.- 1995.- С.86.

46. Влияние функциональных емкостей на кинетику СТП-сушки/ Черевко А.И., Погожих Н.И., Потапов В.А., Иващенко С.С. // Праці ІХ Міжн. конф. ”Удосконалення процесів та апаратів хімічних, харчових та нафтохімічних виробництв”.- Частина 2.- Одеса: ОДАХТ.- 1996.- С.65.

47. Исследование равновесного состояния влаги в сушеных продуктах методами ЯМР/ Гришин М.А., Жуков В.В., Погожих Н.И., Потапов В.А. // Праці ІХ Міжн. конф. ”Удосконалення процесів та апаратів хімічних, харчових та нафтохімічних виробництв”.- Частина2.- Одеса:ОДАХТ.- 1996.- С.102.

48. Погожих Н.И., Цуркан Н.М., Потапов В.А. Інтенсифікація процесу ЗТП-сушіння термостатуванням// Праці наук.-практ. конф. до 30-річчя ХДАТОХ ”Стан та проблеми розвитку торгівлі й харчування в Україні”.- Харків:ХДАТОХ.- 1997.- С.47-48.