Сушка плодов сельскохозяйственных культур: моделирование, оптимизация, разработка высокоэффективных аппаратов

МИНИСТЕРСТВО

ВЫСШЕГО

И

СРЕДНЕГО

СПЕЦИАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ

РЕСПУБЛИКИ

УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ

ХИМИКО

-

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

ИНСТИТУТ

На

правах

рукописи

УДК

664.047

Джураев

Хайрулло

Файзиевич

Сушка

плодов

сельскохозяйственных

культур

:

моделирование

,

оптимизация

,

разработка

высокоэффективных

аппаратов

Специальность

: 05.18.12 - «

Процессы

,

машины

и

агрегаты

пищевой

промышленности

»

А

В

Т

О

Р

Е

Ф

Е

Р

А

Т

диссертации

на

соискание

ученой

степени

доктора

технических

наук

Ташкент

-2005

Работа

выполнена

в

период

прохождения

целевой

очной

докторантуры

на

кафедре

«

Автоматизация

производственных

процессов

и

электротехника

»

Ташкентского

химико

-

технологического

института

и

на

кафедре

«

Технологическое

машины

,

оборудование

и

автоматизация

производства

»

Бухарского

технологического

института

пищевой

и

легкой

промышленности

.

Официальные

оппоненты

:

академик

АН

РУз

,

доктор

технических

наук

,

профессор

З

.

С

.

САЛИМОВ

доктор

технических

наук

,

профессор

Д

.

Н

.

МУХИДДИНОВ

доктор

технических

наук

,

профессор

Х

.

С

.

НУРМУХАМЕДОВ

Ведущая

организация

:

«

УЗМЕВАСАБЗАВОТУЗУМСАНОАТ

-

ХОЛДИНГ

»

Защита

состоится

«____» ____________ 2005

года

в

_____

часов

на

заседании

специализированного

совета

Д

067.24.03

при

Ташкентском

химико

-

технологическом

институте

по

адресу

: 700011,

г

.

Ташкент

,

ул

.

Навои

, 32.

С

диссертацией

можно

ознакомиться

в

фундаментальной

библиотеке

Ташкентского

химико

-

технологического

института

по

адресу

: 700011,

г

.

Ташкент

,

ул

.

Навои

, 32.

Автореферат

разослан

«______»_________________2005

г

.

Ученый

секретарь

специализированного

совета

,

доктор

технических

наук

,

профессор

Ю

.

К

.

Кадиров

ОБЩАЯ

ХАРАКТЕРИСТИКА

ДИССЕРТАЦИИ

Введение

.

Экономическое

развитие

Узбекистана

,

переход

к

рыночным

отношениям

требуют

ускорения

развития

отраслей

,

целых

комплексов

,

интенсификации

процессов

тепло

–

и

массообмена

(

ТМО

).

Развитие

экономики

определяется

такими

направлениями

,

как

создание

научных

основ

и

широкое

использование

комплексной

технологии

,

способствующих

сбережению

энергетических

ресурсов

.

В

Республике

Узбекистан

ежегодно

производится

около

5

млн

.

тонн

.

плодов

и

овощей

.

Однако

большое

количество

теряется

на

поле

,

при

сборе

,

транспортировке

и

хранении

.

Иногда

потери

составляют

около

40%.

Вопросы

уменьшения

потерь

сырья

и

продуктов

,

сохранения

ценных

компонентов

плодоовощей

,

выпуска

импортозамещающей

и

экспортоориентированной

продукции

,

а

также

повышения

экономичности

транспортировки

требуют

развития

перерабатывающих

отраслей

,

особенно

процессов

и

установок

для

сушки

.

Производство

сухофруктов

и

кишмиша

основано

преимущественно

на

естественной

воздушно

-

солнечной

сушке

.

Перед

сушкой

продукт

окуривается

сернистым

газом

и

бланшируется

в

щелочи

.

Применяемые

химикаты

экологически

нечисты

,

а

бланширование

сопряжено

ещё

и

с

потерями

сухих

веществ

.

Решение

трактуемой

проблемы

требует

анализа

,

моделирования

,

синтеза

оптимальных

технологических

процессов

и

на

основе

этого

разработки

новых

высокоэффективных

сушильных

установок

.

Перспективным

методом

интенсификации

процесса

сушки

плодов

сельскохозяйственных

культур

,

отвечающим

предъявляемым

жестким

требованиям

,

является

применение

физических

методов

подвода

энергии

в

поле

инфракрасного

диапазона

.

Перспективность

метода

обусловлена

:

-

снижением

энергетических

затрат

;

-

улучшением

качественных

показателей

высушенных

продуктов

за

счет

обеспечения

низкотемпературного

режима

сушки

;

-

снижением

эксплуатационных

расходов

и

уменьшением

потеры

сырья

за

счет

разработки

малогабаритных

,

маломощных

установок

сушки

,

их

изготовлением

и

распространением

по

фермерским

хозяйствам

и

малым

предприятиям

.

Это

позволяет

часть

промышленных

предприятий

разместить

на

периферии

,

обеспечить

работой

людей

,

перерабатывать

попадающую

сельхозпродукцию

.

В

этой

связи

особую

актуальность

приобретает

теоретическое

и

экспериментальное

обоснование

целесообразности

применения

ИК

-

предварительной

обработки

сырья

с

последующей

ИК

-

конвективной

и

вакуумной

сушкой

,

а

также

выявление

закономерностей

переноса

влаги

,

тепла

по

слоям

исследуемых

объектов

.

Целесообразность

реконструкции

сушильного

оборудования

и

реализации

нетрадиционного

способа

сушки

плодов

в

консервной

и

овощесушильной

промышленности

Республики

Узбекистан

продиктована

:

-

необходимостью

обеспечения

страны

и

зарубежных

заказчиков

сушеной

продукцией

;

-

необходимостью

выпуска

конкурентоспособной

высококачественной

конечной

продукции

.

Решение

рассматриваемой

сложной

научно

-

технической

проблемы

возможно

путем

целенаправленной

разработки

теоретических

основ

пищевой

промышленности

на

основе

системного

анализа

и

разработки

соответствующей

методологии

математического

и

компьютерного

моделирования

.

Методология

многоуровневой

оптимизации

,

математического

и

компьютерного

моделирования

позволяет

синтезировать

высокоэффективные

аппараты

,

установки

и

технологические

линии

,

реализовывать

рациональные

режимы

проведения

тепломассообменных

процессов

,

способствует

снижению

их

энергоемкости

,

уменьшению

потерь

сырья

и

повышению

качества

конечной

продукции

.

Проблема

комплексного

,

теоретического

и

экспериментального

исследования

сложного

технологического

процесса

сушки

с

использованием

нетрадиционных

физических

методов

подвода

энергии

,

базирующегося

на

методологии

математического

моделирования

и

разработка

на

этой

основе

высокоэффективной

технологии

и

её

аппаратурного

воплощения

отличается

особой

актуальностью

и

злободневностью

.

Проведенные

в

рамках

выполнения

реферируемой

диссертационной

работы

исследования

и

разработки

являются

составной

частью

госбюджетных

НИР

БухТИП

и

ЛП

и

Таш

ХТИ

и

выполнены

в

соответствии

с

государственными

научными

программами

Центра

по

науке

и

технологиям

при

Кабинете

Министров

Республики

Узбекистан

:

-3.3.7.2 «

Разработка

технологической

линии

и

высокоэффективного

агрегата

для

получения

плодоовощных

порошков

» (

№

Гос

.

регистрации

01.010011267) (2000-2002

гг

.);

- 12.18 «

Создание

высокоэффективной

технологии

переработки

плодов

и

овощей

с

целью

получения

сухофруктов

и

порошков

с

сохранением

ценных

компонентов

» (2003-

2005

г

.).

Цель

исследования

.

Целью

реферируемой

диссертационной

работы

является

разработка

методологии

моделирования

и

оптимизации

процессов

сушки

плодов

сельскохозяйственных

культур

на

основе

анализа

распределения

параметров

в

продукте

и

разработка

на

этой

основе

высокоэффективных

энергосберегающих

аппаратов

.

Такой

подход

требует

реализации

принципиально

нового

,

основанного

на

стратегии

многоуровневой

оптимизации

,

математического

и

компьютерного

моделирования

,

оптимального

проектирования

процесса

сушки

,

ориентированного

на

использование

нетрадиционных

способов

подвода

энергии

в

поле

инфракрасного

диапазона

излучения

и

создания

высокоэффективных

энергосберегающих

сушильных

аппаратов

.

Решение

этой

сложной

научно

–

технической

проблемы

требует

дальнейшего

развития

теоретических

основ

процесса

сушки

с

определением

и

установлением

закономерностей

перемещения

тепла

и

влаги

в

исследуемых

образцах

.

При

этом

перспективна

разработка

конкретных

практических

рекомендаций

,

позволяющих

реализовывать

высокоэффективные

сушильные

установки

.

Данную

проблему

в

реферируемой

работе

предлагается

решать

путем

целенаправленного

системного

анализа

и

синтеза

процесса

сушки

,

построения

математических

и

компьютерных

моделей

с

использованием

программного

комплекса

«MATLAB».

Для

достижения

поставленной

цели

необходимо

решить

следующие

конкретные

,

взаимосвязанные

и

малоизученные

научно

-

теоретические

и

методологические

задачи

исследования

:

-

обоснование

перспективности

использования

нетрадиционного

способа

подвода

энергии

в

поле

инфракрасного

диапазона

излучения

с

последующей

ИК

-

конвективной

сушкой

отдельных

видов

(

дыни

,

абрикоса

,

персика

,

лука

и

т

.

д

.)

плодов

;

-

обоснование

на

основе

стратегии

системного

анализа

эффективных

по

своему

конечному

результату

методик

экспериментальных

исследований

процесса

сушки

;

-

построение

математических

моделей

процесса

сушки

;

-

проведение

экспериментов

по

уточнению

зависимостей

физико

-

химических

показателей

применительно

к

конкретным

условиям

сушки

плодов

,

а

также

по

установлению

адекватности

полученных

моделей

реальным

процессам

,

протекающим

в

отдельных

функциональных

подсистемах

и

в

собственно

технологической

системе

;

-

обоснование

возможности

применения

нетрадиционных

способов

в

технологиях

обработки

плодов

сельскохозяйственных

культур

;

-

проведение

компьютерных

исследований

,

направленных

на

определение

основных

закономерностей

процессов

сушки

плодов

;

-

обоснование

рациональных

режимов

проведения

процессов

предварительной

ИК

-

обработки

и

сушки

с

учетом

реальных

параметров

сушильного

агента

;

-

обоснование

эффективности

использования

режима

автоматического

регулирования

мощности

теплоисточника

в

разработанных

сушильных

установках

;

-

системная

оптимизация

технологического

процесса

сушки

плодов

;

-

разработка

рациональной

конструкции

аппаратов

и

установок

для

сушки

плодов

;

-

проведение

полупромышленных

и

промышленных

испытаний

выполненных

разработок

,

установление

достоверности

и

обоснованности

научных

положений

,

выводов

и

конкретных

рекомендаций

диссертационной

работы

;

-

выработка

рекомендации

по

применению

маломощных

сушильных

установок

в

схемах

промышленной

переработки

плодов

.

Достоверность

и

обоснованность

научных

положений

,

выводов

и

рекомендаций

,

сформулированных

в

диссертации

.

Выполненные

комплексные

теоретические

и

экспериментальные

исследования

базируются

на

корректном

использовании

методологии

системного

анализа

,

математического

моделирования

и

оптимизации

технологических

процессов

и

производств

и

характеризуются

достаточно

полным

подтверждением

достоверности

и

обоснованности

научных

положений

,

выводов

и

рекомендаций

,

совпадением

с

результатами

аналитического

решения

конкретных

математических

моделей

и

задач

.

Конечные

результаты

экспериментов

критически

сопоставлены

с

известными

литературными

данными

.

Опытные

данные

получены

в

результате

применения

общепринятых

и

рекомендуемых

отраслевых

руководящих

материалов

и

методик

экспериментального

исследования

тепло

–

и

массообменных

процессов

сушки

плодов

.

В

результате

научно

обоснованы

способы

и

устройства

для

ИК

-

конвективной

и

вакуумной

сушки

продуктов

;

достоверно

изучены

закономерности

распределения

:

лучистого

потока

по

поверхности

исследуемых

продуктов

;

поля

температуры

и

влаги

в

пространстве

аппарата

и

в

слое

материала

;

плотности

тепловых

потоков

в

ходе

предварительной

обработки

и

сушки

.

Новизна

работы

.

В

диссертации

обоснована

методология

моделирования

и

расчета

процесса

сушки

на

основе

определения

распределения

параметров

по

квазислоям

высушиваемого

материала

в

отличие

от

обычного

расчета

,

где

процесс

сушки

производится

путем

определения

средних

значений

влажности

и

температуры

продукта

.

Таким

образом

,

анализ

и

синтез

процесса

сушки

продуктов

осуществляется

на

один

уровень

глубже

.

В

работе

обоснована

концепция

многоступенчатого

системного

анализа

сложных

тепло

-

и

массообменных

процессов

переработки

плодов

сельскохозяйственных

культур

путем

декомпозиции

системы

сушильного

агрегата

на

функциональные

подсистемы

и

т

.

д

.

Разработан

подход

к

компьютерному

моделированию

процесса

сушки

,

позволяющая

определять

закономерности

протекания

процессов

перемещения

влаги

и

тепла

как

по

слоям

высушиваемого

материала

,

так

и

во

времени

.

Обоснована

стратегия

многоуровневой

оптимизации

процесса

сушки

плодов

.

Она

позволила

определить

оптимальные

процессы

для

случая

ИК

-

предварительной

обработки

и

ИК

-

конвективной

сушки

плодов

сельскохозяйственных

культур

и

разработать

высокоэффективные

сушильные

установки

.

Личный

вклад

автора

в

решение

трактуемой

научной

проблемы

.

В

публикациях

,

составляющих

основу

диссертации

,

лично

автору

принадлежит

общая

постановка

задач

исследования

,

участие

и

проведения

экспериментов

,

интерпретация

,

анализ

и

обобщение

полученных

результатов

,

выявления

основных

закономерностей

и

практическая

реализация

результатов

работы

в

промышленности

.

Выводы

и

рекомендации

диссертации

сформулированы

автором

лично

.

На

публичную

защиту

выносятся

следующие

новые

научные

положения

,

полученные

лично

авторам

:

-

методология

системного

анализа

сложного

тепломассообменного

процесса

сушки

отдельных

видов

сельхозпродуктов

(

дыня

,

абрикос

,

персик

,

лук

и

т

.

д

.)

и

теоретико

-

методологические

аспекты

экспериментального

исследования

процесса

сушки

;

-

предложенные

математические

и

компьютерные

модели

исследуемых

процессов

сушки

плодов

;

-

результаты

экспериментального

изучения

гигроскопических

свойств

и

характеристик

плодов

сельскохозяйственных

культур

;

-

выявленные

терморадиационные

характеристики

ряда

плодов

сельскохозяйственных

культур

;

-

методики

инженерного

расчета

сушильных

установок

и

определения

закономерностей

распределения

лучистого

потока

по

поверхности

и

в

объеме

высушиваемых

изделий

;

-

стратегия

многоуровневой

оптимизации

сложного

технологического

процесса

сушки

плодов

;

-

технологические

разработки

и

рекомендации

по

комплексной

переработке

плодов

сельскохозяйственных

культур

;

-

конструктивно

–

технологическое

оформление

сушильных

установок

;

-

результаты

натурных

испытаний

и

технико

-

экономической

оценки

разработанных

сушильных

установок

.

Методы

исследования

.

Для

целей

интенсификации

процессов

сушки

плодов

обоснована

перспективность

и

целесообразность

использования

нетрадиционных

способов

подвода

энергии

излучения

в

инфракрасном

диапазоне

.

К

выполнению

работы

привлечена

методология

системного

анализа

сложных

тепло

–

и

массообменных

процессов

.

При

изучении

кинетики

сушки

и

обосновании

режимов

регулирования

технологических

параметров

сушильных

установок

использованы

методы

математического

и

компьютерного

моделирования

и

многоуровневой

оптимизации

.

Экспериментальные

исследования

выполнены

на

лабораторных

,

полупромышленных

и

промышленных

сушильных

установках

.

В

процессе

выполнения

диссертационной

работы

широко

использованы

персональные

компьютеры

(Pentium-IY)

и

программный

комплекс

MATLAB.

Научная

и

практическая

значимость

результатов

исследования

состоит

в

следующем

.

На

основе

выполненных

комплексных

теоретических

и

экспериментальных

исследований

получено

новое

решение

актуальной

научно

-

технической

проблемы

,

имеющей

важное

народнохозяйственное

значение

и

заключающейся

в

существенном

повышении

эффективности

сушильных

установок

,

позволяющих

значительно

улучшить

качество

получающейся

продукцией

.

Предложенное

решение

проблемы

призвано

создать

научные

основы

для

автоматизированного

проектирования

высокоэффективных

установок

для

сушки

продуктов

.

Выявлены

оптимальные

режимы

процесса

ИК

-

конвективной

сушки

плодов

.

Предложен

способ

ИК

-

конвективной

и

вакуумной

сушки

с

предварительной

ИК

-

обработкой

продуктов

.

Разработана

методика

инженерного

расчета

сушильной

установки

и

системы

энергоподвода

.

Обоснован

импульсный

режим

ИК

-

предварительной

обработки

плодов

сельскохозяйственных

культур

.

Реализация

результатов

.

На

основе

результатов

теоретических

и

экспериментальных

исследований

разработана

опытно

-

промышленная

ИК

-

конвективная

сушильная

установка

,

внедренная

в

АООТ

«

Опторг

»

Шахрисябзского

района

Кашка

-

Дарьинской

области

(2001-2002

гг

.).

Проведено

испытание

ИК

-

вакуумной

сушилки

в

АООТ

«

Табиат

саховати

»

Бухарской

области

.

Экономический

эффект

от

внедрения

одной

установки

с

производительностью

1,5 – 2

т

.

в

сутки

по

сырью

,

а

также

реализации

разработок

и

рекомендаций

диссертационной

работы

составляет

14,3

млн

.

сумов

в

год

(

на

2003

г

.).

Ожидаемый

экономический

эффект

по

Республике

составляет

около

140

млн

.

сумов

в

год

.

Рекомендованные

новые

способы

сушки

сельхозпродуктов

способствуют

повышению

качественных

показателей

конечной

продукции

за

счет

соблюдения

низкотемпературного

режима

.

Бухарским

центром

стандартизации

и

сертификации

выдан

акт

лабораторных

испытаний

,

свидетельствующий

о

соответствии

качественных

показателей

сущенных

фруктов

и

овощей

требованиям

государственного

стандарта

.

Результаты

теоретических

и

экспериментальных

исследований

,

а

также

разработанные

(

ИК

-

конвективная

и

вакуумная

)

сушильные

установки

используются

в

научно

-

исследовательской

работе

и

в

учебном

процессе

БухТИП

и

ЛП

и

ТашХТИ

при

подготовке

бакалавров

и

магистров

.

Апробация

работы

.

Основные

положения

и

результаты

диссертационной

работы

доложены

,

обсуждены

и

получили

поддержку

и

одобрение

на

научных

,

научно

-

практических

конференциях

и

семинарах

: «

Школа

-

семинар

» (

г

.

Бухара

, 2001

г

);

ежегодная

конференция

профессорско

-

преподавательского

состава

ТашХТИ

(

г

.

Ташкент

,

2001, 2002, 2005

г

.

г

.);

ФерПИ

(

г

.

Фергана

, 2001

г

);

Международная

научно

-

практическая

конференция

«

Кичик

ва

урта

бизнесни

ривожлантиришда

янги

техника

ва

технологияларни

кўллаш

,

хамда

уларнинг

иктисодий

самарадорлигини

ошириш

муаммолари

» (

г

.

Наманган

, 2002

г

); XYI

Международной

научной

конференции

«

Математические

методы

в

технике

и

технологиях

(

ММТТ

-16) (

г

.

Санкт

-

Петербург

,

г

.

Ташкент

2003

г

.);

Международной

конференции

«

Перспективы

развития

биологических

технологий

и

безопасность

» (

Украинский

научно

-

технологический

центр

, 2003

г

.);

Международной

конференции

в

Институте

биоорганической

химии

имени

академика

Садыкова

Академии

Наук

Республики

Узбекистан

(

г

.

Ташкент

, 2003

г

.).

Опубликованность

результатов

.

Основные

научные

результаты

диссертации

опубликованы

в

34

работах

,

в

том

числе

в

9

зарубежных

,

и

8

республиканских

научных

журналах

и

сборниках

.

Структура

и

объем

диссертации

.

Диссертационная

работа

состоит

из

введения

,

основной

части

,

состоящей

из

шести

глав

,

заключения

,

списка

использованной

литературы

и

приложений

.

Объем

работы

без

списка

литературы

и

приложений

составляет

228

страниц

,

содержит

60

рисунков

, 6

схем

и

14

таблиц

.

Список

литературы

насчитывает

304

источника

отечественных

и

зарубежных

авторов

.

Диссертационная

работа

была

выполнена

в

период

прохождения

автором

целевой

очной

докторантуры

.

Автор

выражает

глубокую

признательность

академику

АН

.

РУз

,

д

.

т

.

н

.,

проф

.

Юсупбекову

Н

.

Р

.,

д

.

т

.

н

.,

проф

.

Артикову

А

.

А

.

за

всестороннюю

помощь

и

консультации

при

выполнении

данной

диссертационной

работы

.

СОДЕРЖАНИЕ

ДИССЕРТАЦИИ

Во

введении

обоснована

актуальность

проблемы

,

изложено

современное

состояние

вопроса

,

сформулированы

цель

и

задачи

исследования

,

показана

научная

новизна

полученных

результатов

,

раскрыто

теоретическое

и

практическое

значение

положений

,

выводов

и

конкретных

рекомендаций

,

сформулированных

в

диссертации

.

В

первой

главе

проанализировано

состояние

и

тенденции

развития

теории

и

техники

переработки

сельхозпродуктов

.

Систематизированы

сведения

о

технологических

свойствах

плодов

и

овощей

как

объектов

сушки

.

Приведены

результаты

исследований

процесса

сушки

,

способов

и

устройств

для

сушки

плодов

сельскохозяйственных

культур

.

Данная

глава

носит

обзорно

–

постановочный

характер

и

направлена

на

формирование

основной

концепции

исследования

.

Консервная

(

овощесушильная

и

пищеконцентратная

)

промышленность

перерабатывает

самое

разнообразное

сырье

:

овощи

,

плоды

,

ягоды

и

др

.,

которые

являются

источником

различных

микроэлементов

,

крайне

необходимых

для

жизнедеятельности

человека

.

В

них

также

содержатся

углеводы

(

сахара

,

крахмалы

),

органические

кислоты

,

ароматические

и

красящие

компоненты

,

витамины

и

минералы

.

Содержание

сухих

веществ

в

них

колеблется

в

пределах

85-94%,

белка

- 18-30%,

сахара

-

5-20%.

Необходимо

отметить

и

множество

витаминов

.

Однако

для

максимального

сохранения

при

комплексной

переработке

упомянутых

элементов

необходимо

уменьшить

их

контакт

с

химическими

растворами

,

устранить

воздействие

солнечных

лучей

и

ограничить

длительность

воздействия

высоких

температур

.

Анализируя

сорта

,

химический

состав

всей

номенклатуры

сельхозпродуктов

,

выращиваемых

в

Средней

Азии

,

необходимо

отметить

,

что

в

настоящее

время

возросла

потребность

в

высококачественных

,

экологически

чистых

сухофруктах

,

плодовых

порошках

и

напитках

.

Однако

у

большинства

плодов

и

овощей

в

ходе

переработки

и

даже

при

кратковременном

хранении

под

действием

микроорганизмов

ухудшаются

качественные

показатели

.

Это

связано

с

низким

уровнем

условий

хранения

и

переработки

.

Один

из

основных

путей

эффективного

хранения

и

уменьшения

потерь

сельхозсырья

–

сушка

продукции

.

Сушка

-

не

только

сложнейший

нестационарный

процесс

тепло

-

и

массообмена

,

но

и

важнейший

технологический

прием

безотходной

переработки

плодов

сельскохозяйственных

культур

.

С

этой

точки

зрения

в

данной

главе

выполнен

критический

анализ

существующих

способов

переработки

и

основных

тенденций

развития

безотходной

технологии

переработки

плодов

при

одновременной

интенсификации

тепло

-

и

массообменных

процессов

.

В

ней

обоснованы

рациональные

пути

повышения

энергетической

эффективности

сушильных

установок

и

определены

задачи

исследования

.

Отмечено

,

что

в

настоящее

время

процесс

сушки

сельхозпродуктов

в

зонах

их

произрастания

осуществляется

в

основном

естественным

(

воздушно

-

солнечным

)

способом

,

а

на

перерабатывающих

предприятиях

–

конвективным

методом

.

Однако

эти

способы

обладают

целым

рядом

существенных

недостатков

.

При

сушке

происходит

значительное

загрязнение

продукта

.

Солнечно

-

радиационная

сушка

,

с

точки

зрения

экономии

топливно

–

энергетических

ресурсов

,

является

наиболее

выгодной

.

Однако

при

этом

имеет

место

зависимость

от

погодных

условий

,

большая

продолжительность

процесса

сушки

,

низкая

эффективность

использования

концентрируемой

солнечной

энергии

,

в

особенности

резкое

снижение

результативности

процесса

сушки

при

отсутствии

солнечного

излучения

,

сложность

аппаратурного

оформления

способа

и

необходимость

в

течение

солнечного

дня

изменять

ориентацию

концентраторов

солнечной

энергии

.

Из

физических

методов

подготовки

плодов

к

сушке

следует

особо

выделить

контактный

(

кондуктивный

)

способ

сушки

.

Основные

недостатки

рассматриваемого

способа

:

высокая

температура

,

неравномерность

прогрева

продукта

по

толщине

слоя

,

перегрев

нижних

слоев

,

обусловливающий

термическую

деградацию

основных

показателей

качества

конечной

продукции

.

Теория

сушки

коллоидно

-

капиллярно

-

пористых

материалов

достаточно

разработана

большим

отрядом

ученых

.

Однако

применительно

к

процессу

сушки

сельхозпродуктов

с

точки

зрения

запросов

энергосберегающей

технологии

и

их

энергетической

эффективности

,

а

также

знаний

закономерностей

перемещения

влаги

и

тепла

арсенал

этой

теории

ещё

недостаточен

.

Кроме

того

,

сложность

математического

описания

и

необходимость

систематического

проведения

специальных

экспериментов

требуют

привлечения

принципов

,

методов

и

практических

приемов

системного

анализа

и

синтеза

сложных

химико

-

технологических

процессов

и

систем

к

разработке

адекватных

математических

моделей

и

алгоритмов

оптимизации

процесса

сушки

.

Нами

на

основе

предшествующих

исследований

была

обоснована

целесообразность

применения

при

сушке

плодов

сельскохозяйственных

культур

новых

физических

методов

подвода

энергии

в

поле

инфракрасного

диапазона

излучения

.

Решаемая

научно

-

техническая

проблема

предопределила

необходимость

обоснования

методологии

системного

исследования

сложного

технологического

процесса

сушки

и

развития

теоретических

предпосылок

математического

моделирования

и

многоуровневой

оптимизации

,

ориентированных

на

инструментарий

пакета

«MATLAB».

Применение

предложенных

принципов

и

теоретических

положений

призвано

создать

необходимую

научно

-

техническую

основу

для

разработки

маломощных

,

компактных

энергосберегающих

сушильных

установок

для

малых

,

фермерских

и

средних

перерабатывающих

предприятий

Республики

Узбекистан

.

Вторая

глава

диссертации

посвящена

проблеме

системного

анализа

процессов

сушки

плодов

,

сельскохозяйственных

культур

.

В

ходе

переработки

продуктов

протекают

сложные

процессы

,

которые

воздействуют

на

количественные

и

качественные

показатели

готовой

продукции

.

Приступая

к

системному

анализу

технологической

линии

для

переработки

сельхозпродуктов

,

необходимо

определить

центр

всей

исследуемой

системы

и

её

функциональных

составных

подсистем

, -

с

точки

зрения

стабильности

,

обусловливающей

как

производительность

линии

,

так

и

качество

конечной

продукции

.

Успешное

решение

этой

задачи

обеспечивает

достижение

технологической

линией

и

установкой

более

высокого

уровня

целостности

,

позволяет

одновременно

и

в

комплексе

изучить

условия

и

возможности

развития

исследуемой

технологической

системы

.

Такой

подход

позволяет

в

конечном

итоге

установить

основные

направления

совершенствования

техники

и

технологии

данного

производства

.

Следует

подчеркнуть

,

что

развитие

технологической

системы

не

сводится

к

непосредственному

потоку

изменений

,

а

обязательно

включает

в

себя

рост

стабильности

и

системной

организованности

,

что

требуется

в

соответствии

с

интегративными

закономерностями

конкретной

техники

и

технологии

.

С

целью

выявления

и

обоснования

путей

развития

высокопроизводительных

технологических

линий

для

производства

качественной

продукции

экспериментальными

приемами

определена

стабильность

отдельных

функциональных

подсистем

типовой

технологической

линии

для

переработки

плодов

.

Для

определения

уровня

организованности

и

стабильности

процессов

переработки

осуществлен

расчет

по

выходам

и

параметрам

сохранения

ценных

компонентов

.

При

этом

исходная

система

рассмотрена

как

состоящая

из

статистически

зависимых

функциональных

подсистем

.

Расчет

уровня

стабильности

и

энтропии

выполнен

по

методике

В

.

А

.

Панфилова

на

основе

формулы

Клода

-

Шеннона

.

(

)

( ) (

) (

)

CB

A

P

C

B

P

C

P

CBA

P

i

i

i

i

/

/

⋅

⋅

=

,

(1)

(

)

( )

(

)

(

)

CB

A

H

C

B

H

C

H

CBA

H

i

i

i

i

/

/

⋅

⋅

=

,

где

i

H

-

информационная

энтропия

,

i

P

-

вероятность

попадания

случайной

величины

в

интервале

-

;

1

i

x

i

x

,

А

-

подсистема

образования

продукции

со

стандартными

показателями

;

В

-

подсистема

образования

промежуточного

продукта

;

С

-

подсистема

,

в

которой

реализуются

подготовительные

процессы

(

очистка

плодов

от

примесей

и

очистка

стандартных

плодов

).

Применение

метода

операторных

представленный

к

анализу

технологической

линии

позволило

объективно

определить

и

обосновать

целесообразность

совершенствования

технологической

линии

,

выявить

ее

наиболее

«

узкие

»

места

и

наметить

пути

развития

исследуемого

объекта

.

На

основе

рассмотренного

подхода

нами

разработана

рациональная

технологическая

схема

,

которая

призвана

обеспечивать

получение

высококачественной

сушеной

продукции

.

При

этом

задача

состоит

в

том

,

чтобы

в

ходе

предварительной

ИК

-

обработки

и

сушки

в

первую

очередь

максимально

сохранить

исходный

состав

обрабатываемой

продукции

.

Качество

высушиваемой

продукции

зависит

от

взаимодействия

технологических

аппаратов

и

протекающих

в

них

процессов

и

явлений

.

Результаты

изучения

тепло

-

и

массообменных

явлений

,

протекающих

в

продуктах

при

их

обработке

,

а

также

выявление

влияния

различных

факторов

на

конечные

результаты

позволили

обосновать

технологическую

схему

с

детализацией

ее

многоступенчатой

иерархии

(

рис

.

П

.1).

Функциональная

подсистема

2.5 –

представляет

собой

аппарат

для

ИК

-

конвективной

и

вакуумной

сушки

плодов

сельскохозяйственных

культур

.

Рациональная

организация

процесса

достигается

за

счет

обоснованного

выбора

конструктивных

параметров

аппарата

,

а

управление

процессом

осуществляется

путем

соответствующего

изменения

технологических

параметров

.

Конечными

элементами

системы

здесь

выступают

:

рабочая

камера

,

вентилятор

,

фильтр

и

вакуум

-

насос

.

Подсистема

2.5.1 -

сушильная

камера

-

снабжена

нагревательными

элементами

,

отражателями

лучей

,

сетчатым

подом

-

в

случае

исполнения

аппарата

в

варианте

периодического

действия

.

Выбор

нагревательного

элемента

(

подсистема

- 2.5.1.1)

осуществлен

на

основе

изучения

терморадиационных

(

ТРХ

)

характеристик

плодов

сельскохозяйственных

культур

.

Процесс

нагрева

и

сушки

твердой

фазы

(

подсистема

2.5.1.3)

осуществляется

в

подсистеме

2.5

под

действием

подсистемы

2.5.1.1.

Механизм

действия

излучения

на

облучаемые

предметы

(

твердая

фаза

)

выражается

превращением

лучистой

энергии

в

тепловую

.

Следует

отметить

,

что

при

декомпозиции

технологической

линии

на

подсистемы

по

уровням

иерархии

процесс

сушки

рассмотрен

протекающим

в

два

этапа

.

Для

разрушения

клеточных

пор

и

ускорения

процесса

перемещения

влаги

продукт

предварительно

обрабатывается

в

поле

излучения

инфракрасного

диапазона

в

импульсных

режимах

при

длине

волны

λ

из

=1,1

мкм

,

а

в

зоне

сушки

в

непрерывном

режиме

при

длине

волны

λ

из

=2,8

мкм

.

Поскольку

в

ходе

сушки

основная

часть

ИК

–

энергии

поглощается

водой

,

это

интенсифицирует

убыль

влаги

из

материала

.

В

подсистеме

2.5.1.2 (

газовая

фаза

)

протекают

процессы

перемещения

,

поглощения

влаги

и

теплообмена

.

Подсистема

2.5.1.4

является

сетчатый

под

.

Для

обеспечения

равномерного

прохода

и

распределения

воздуха

по

всей

поверхности

высушиваемого

продукта

под

изготовлен

в

виде

решетки

.

Коэффициент

прохода

воздуха

составляет

0,8.

Однако

при

загрузке

материала

коэффициент

свободной

поверхности

варьирует

от

0,3

до

0,5

при

оптимальной

сушке

.

Проанализировано

количественные

изменение

ценных

компонентов

-

таких

,

как

белки

(

подсистема

-2.5.1.3.1.1),

витамины

(

подсистема

-2.5.1.3.1.2),

минералы

(

подсистема

-

2.5.1.3.1.3).

Математическая

модель

процесса

сушки

плодов

сельскохозяйственных

культур

,

протекающего

в

масштабе

аппарата

в

целом

,

включает

в

себя

математические

описания

процессов

и

явлений

,

происходящих

в

рассмотренных

выше

подсистемах

.

Третья

глава

посвящена

вопросам

математического

и

компьютерного

моделирования

процесса

сушки

.

Эффективное

решение

поставленной

в

диссертации

задачи

требует

прежде

всего

выработки

общей

стратегии

,

систематизирующей

и

подчиняющей

единой

цели

все

промежуточные

этапы

и

процедуры

подготовки

математического

описания

процесса

сушки

плодов

.

Эта

стратегия

определяет

существо

системного

анализа

исследуемого

процесса

и

состоит

из

этапов

качественного

анализа

структуры

системы

,

синтеза

функционального

оператора

и

его

идентификации

,

а

также

проверки

адекватности

модели

реальному

процессу

.

Основу

первого

этапа

составляет

обобщенная

система

уравнений

с

учетом

физико

-

химических

процессов

,

протекающих

в

технологическом

аппарате

.

Эта

система

уравнений

,

во

-

первых

,

может

служить

исходным

пунктом

при

переходе

к

математическому

описанию

частной

инженерной

задачи

;

во

-

вторых

,

она

вскрывает

структуру

движущих

сил

и

потоков

,

развивающихся

в

локальном

объеме

аппарата

и

отражающих

специфику

физико

-

химических

процессов

в

нем

.

Математическая

модель

процесса

сушки

плодов

охватывает

уравнения

материального

и

теплового

балансов

,

уравнения

пространственного

распределения

температуры

и

влаги

,

а

также

молекулярной

диффузии

влаги

.

При

построении

математического

описания

процесса

нами

проанализировано

взаимодействие

внешних

и

внутренних

связей

системы

в

целом

.

Установлена

связь

между

температурой

и

влагосодержанием

в

различных

точках

элементарного

слоя

продукта

в

различные

моменты

времени

.

Для

построения

математического

описания

поведения

температуры

в

твердой

фазе

нами

привлечено

дифференциальное

уравнение

теплового

баланса

в

слоях

продукта

.

Последнее

,

применительно

к

процессу

сушки

плодов

сельскохозяйственных

культур

в

поле

инфракрасного

диапазона

излучения

,

можно

записать

в

приращениях

как

:

пот

пов

V

обл

dQ

dQ

dQ

dQ

+

+

=

, (2)

где

обл

dQ

-

энергия

,

сообщаемая

материалу

;

V

dQ

-

энергия

,

поглощенная

в

объеме

материала

;

пов

dQ

-

энергия

обмена

между

поверхностью

материала

и

окружающей

средой

.

Энергия

V

dQ

расходуется

на

нагрев

материала

и

испарение

влаги

исп

m

V

dQ

dQ

dQ

+

=

. (3)

Здесь

m

dQ

-

энергия

,

затраченная

на

нагрев

материала

;

исп

dQ

-

энергия

,

затраченная

на

испарение

влаги

.

В

свою

очередь

,

энергия

,

затраченная

на

нагрев

материала

,

есть

m

m

m

m

dt

c

G

dQ

⋅

⋅

=

, (4)

где

m

G

-

масса

облучаемого

материала

;

m

с

-

удельная

теплоемкость

материала

,

Дж

/

кг

.

К

;

m

dt

-

изменение

температуры

материала

,

К

.

Энергия

,

поглощаемая

поверхностью

изделий

за

время

τ

d

:

dt

F

q

A

dQ

пов

⋅

⋅

⋅

=

∑

λ

λ

λ

λ

2

1

. (5)

Энергия

,

затраченная

на

испарение

влаги

τ

d

r

F

q

dQ

m

исп

⋅

⋅

⋅

=

, (6)

где

m

q

-

средняя

плотность

потока

влаги

,

кг

/(

м

2

.

ч

); r –

удельная

теплота

парообразования

,

Дж

/

кг

.

ф

v

m

r

R

N

q

⋅

⋅

⋅

=

100

ρ

; (7)

N -

коэффициент

сушки

в

период

постоянной

скорости

, %/

с

; R

v

-

отношение

объема

тела

к

поверхности

материала

м

3

/

м

2

; r

ф

-

удельная

теплота

фазовых

превращений

,

кДж

/

моль

.

Камера

сушильной

установки

снабжена

отражателями

,

которые

служат

для

равномерного

распределения

лучистого

потока

на

поверхности

материала

.

В

данном

случае

:

τ

d

F

q

dQ

обл

обл

обл

⋅

⋅

=

; (8)

где

обл

q

-

плотность

потока

излучения

,

кВт

/

м

2

;

обл

F

-

площадь

облучаемой

поверхности

,

м

2

;

τ

-

время

,

с

.

Определяя

значения

отдельных

составляющих

уравнения

(3),

можно

записать

:

(

)

τ

τ

τ

d

F

t

t

d

r

F

q

dt

c

G

d

F

q

в

m

m

m

m

m

обл

обл

⋅

⋅

−

+

⋅

⋅

⋅

+

⋅

⋅

=

⋅

⋅

. (9)

Потери

тепла

:

(

)

(

)

τ

ξ

τ

α

d

F

t

t

d

F

t

t

dQ

в

m

изл

в

m

пот

⋅

−

+

⋅

⋅

−

=

, (10)

где

α

-

коэффициент

теплоотдачи

путем

конвекции

,

Вт

/(

м

2

.

К

);

изл

ξ

-

коэффициент

излучения

.

F-

площадь

полной

поверхности

материала

,

м

2

Для

составления

математического

описания

температуры

продуктов

рассмотрим

тепловой

баланс

на

элементарных

участках

образца

.

Разница

между

приходящим

(Q

вх

)

и

уходящим

теплом

(Q

вых

)

характеризуется

скоростью

накопления

тепла

: