Анотація до роботи:

Потапов В.О. Наукові основи аналізу та керування кінетикою сушіння харчової сировини. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.18.12 – процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв. – Харківський державний університет харчування та торгівлі Міністерства освіти і науки України, Харків, 2007.

Дисертацію присвячено розробці наукових методів аналізу та керування кінетикою сушіння харчової сировини з метою зниження енерговитрат і підвищення якості готової продукції. В основу покладено наукову концепцію про визначальний вплив структури вологи в харчовій сировині на сполучені процеси перенесення маси, енергії та імпульсу, кінетика яких зумовлює існування та вибір раціональних технологій сушіння та способів їхньої апаратної реалізації. Теоретично обґрунтовано і експериментально підтверджено ефект динамічного структурування вологи, що полягає в зміні кількісного співвідношення між вільною та зв'язаною вологою.

Запропоновано класифікацію харчової сировини як об'єкта сушіння за структурно-енергетичним параметром, що являє собою відношення середніх витрат енергії на видалення зв'язаної вологи до витрат на видалення вільної вологи та враховує особливості капілярної структури сировини.

Отримано систему диференціальних рівнянь кінетики сполучених процесів перенесення маси, енергії та імпульсу, яка враховує структурно-енергетичну та реологічну модель харчової сировини.

Розроблено концепцію оптимального керування кінетикою сушіння харчової сировини, яка полягає у виборі алгоритму зміни параметрів сушильного агента, що забезпечує мінімізацію однієї з трьох цільових функцій: обмеження за втратами біологічно активних речовин, обмеження за максимальними механічними напруженнями, обмеження за енерговитратами. Наведено приклади раціональних режимів сушіння окремих видів харчової сировини для низькоінтенсивних і високоінтенсивних способів сушіння, які забезпечують зниження енерговитрат на 10...40% і зменшення втрат вітамінного складу на 10...30%.

1. Аналізом літературних джерел встановлено, що актуальною проблемою є пошук нових методів вирішення комплексу задач теорії сполучених явищ перенесення, які дозволяють оптимізувати процес сушіння за енерговитратами, прогнозувати якість продукції та знизити собівартість процесу розробки нових технологій і устаткування. Відсутність єдиної фізичної моделі харчової сировини для статики, динаміки та кінетики сушіння є науковою суттю зазначеної проблеми. Показано, що основою такої моделі може бути найбільш характерна структурна особливість колоїдних капілярно-пористих тіл наявність двох істотно різних структур вологи вільної та зв'язаної.

2. Показано, що у межах молекулярно-кінетичних уявлень вологу в гетерогенних системах можна розглядати як систему слабко взаємодіючих частинок, що перебувають у полі сил Ван-дер-Ваальса. При цьому молекулярно-кінетична границя поділу молекул на “вільні” і “зв'язані” визначається із рівності їх потенційної та кінетичної енергії, а їх кількісне співвідношення обчислюється за розподілом Максвела-Больцмана.

3. Розроблено молекулярно-кінетичну модель процесів сорбції-десорбції вологи, на основі якої виведено рівняння ізотерм колоїдного капілярно-пористого тіла, що враховує структури вологи, її енергію зв'язку та диференціальну функцію розподілу капілярів за радіусами. Експериментальною перевіркою підтверджено адекватність моделі, що описує експериментальні ізотерми з похибкою 4...8%. Запропоновано класифікацію харчової сировини як об'єкта сушіння за структурно-енергетичним параметром, що являє собою відношення середніх витрат енергії на видалення зв'язаної вологи до витрат на видалення вільної вологи та враховує особливості капілярно-пористої структури сировини.

4. Теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено ефект динамічного структурування вологи, що полягає у зміні кількісного співвідношення між вільною і зв'язаною вологою, яку викликають сполучені процеси перенесення. Показано, що зсідання та зниження температури сировини призводить до збільшення частини зв'язаної вологи, а набрякання та збільшення температури до зростання частини вільної вологи. Запроваджено коефіцієнт динамічного структурування вологи, який вказує на відносну кількість молекул, що змінюють свій енергетичний стан в одиницю часу.

5. Розроблено підхід до складання системи диференціальних рівнянь кінетики сполучених процесів перенесення, заснований на законі збереження фізичної субстанції в інтегральній формі, принципі суперпозиції для експериментально значимих потоків і феноменологічних співвідношень між густиною потоку та потенціалом перенесення. Отримано систему диференціальних рівнянь кінетики сполучених процесів перенесення маси, енергії та імпульсу для колоїдного капілярно-пористого тіла, засновану на гетероенергетичній моделі структури вологи та реологічній моделі пружно-в’язкого тіла. Знайдено її аналітичне рішення та отримано рівняння для визначення кінетики вільної, зв'язаної вологи, температури, деформації та механічних напружень, тиску парогазової суміші.

6. Експериментальною перевіркою підтверджено адекватність рівнянь, що описують кінетику сполучених явищ перенесення в процесі сушіння харчової сировини з похибкою 5...10%. На підставі аналізу експериментальних даних отримано аналітичні залежності, що пов'язують коефіцієнти перенесення маси, енергії, імпульсу, тепломасообмінні, структурно-механічні характеристики харчової сировини та параметри сушильного агента, що дозволяє аналізувати та керувати кінетикою сушіння .

7. Розроблено концепцію оптимального керування кінетикою сушіння харчової сировини, що полягає у виборі параметрів сушильного агента, які забезпечують мінімізацію однієї з трьох цільових функцій: обмеження за втратами біологічно активних речовин, обмеження за максимальними механічними напруженнями, обмеження за енерговитратами. Отримано аналітичні рівняння, що дозволяють розраховувати змінювання концентрації біологічно активних речовин за відомою кінетикою тепло-масообмінних процесів. Визначено оптимальні багатоступеневі режими для низькоінтенсивних та високоінтенсивних способів сушіння харчової сировини.

8. Розроблено методики, що підвищують точність інженерних розрахунків під час проектування сушильного устаткування: теплового розрахунку сушильних установок, яка враховує кінетику вільної та зв'язаної вологи; гідродинамічного розрахунку, яка враховує розподіл швидкостей потоку в об’ємі сушарки.

9. Створено комплекс програмного забезпечення для обробки експериментальних даних ізотерм сорбції-десорбції, кінетики вологовмісту, температури, тиску, деформації в процесі сушіння, автоматизації розрахунку матеріального балансу сушильних установок на основі електронної I-d діаграми, автоматизації теплового та гідродинамічного розрахунків конвективних сушильних установок різних типів.

10. Розроблено конструкції високоефективного устаткування для сушіння, копчення та гідротермічної обробки харчової сировини. Створено та випробувано дослідно-промислові зразки цього устаткування та розпочато їх серійне виробництво на машинобудівних підприємствах. Здійснено заходи щодо упровадження раціональних режимів сушіння у вигляді нормативно-технічної документації на нові види сушеної продукції. Проведено апробацію виконаних досліджень на науково-практичних конференціях, промислових підприємствах, виставках-ярмарках.

11. Показано, що економічний ефект від впровадження оптимальних за енергозбереженням режимів сушіння складає 31,7 тис. грн для лінії з виробництва макаронних виробів продуктивністю 160 кг/год. Під час сушіння овочів за раціональними режимами втрати вітамінів знижуються на 20…30% у високоінтенсивних способах сушіння та на 5…10% у низькоінтенсивних порівняно з традиційними режимами сушіння.

Публікації автора:

1. 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.

2. 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.

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

4. 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.

5. Потапов В.А. Кинетическое уравнение сушки с учетом неизотермической массопроводности// Актуальні науково-методичні проблеми в підготовці спеціалістів вищої кваліфікацій для торгівлі і харчування: Зб. наук. пр. - Харків: ХДАТОХ, 1997. - Ч.1. - С. 353-355.

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

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

8. Потапов В.О. Метод визначення параметрів суттєво нелінійних емпіричних залежностей// Прогресивні ресурсозберігаючі технології та їх економічна обґрунтованість у підприємствах харчування. Економічні проблеми торгівлі: Зб. наук. пр. - Харків: ХДАТОХ, 1998 - Ч.1. - С. 84-87.

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

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

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

12. Потапов В.А. О влиянии молярного переноса на кинетику сушки капиллярно-пористых материалов// Нові технології та удосконалення процесів харчових виробництв: Зб. наук. праць - Харків: ХДАТОХ, 1999. - С. 162-168.

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

14. 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. 185-190.

15. Потапов В.А. Феноменологическая система уравнений кинетики сушки капиллярно-пористых коллоидных материалов//Прогресивні технології та удосконалення процесів харчових виробництв: Зб. наук. пр. - Харків: ХДАТОХ, 2000. - Ч.2. - С. 49-53.

16. 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.

17. Гришин М.О., Погожих М.І., Потапов В.О. Модель процесу сушіння змішаним теплопідводом// Наукові праці ОДАХТ. - Одеса, 2001. - Вип. 22. - С. І7-20.

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

19. Потапов В.А. Модель влияния форм связи влаги на кинетику сушки// Прогресивні ресурсозберігаючі технології та їх економічне обгрунтування у підприємствах харчування. Економічні проблеми торгівлі: Зб. наук. пр. - Харків: ХДАТОХ, 2001 - Ч.1. - С. 309-317.

20. Потапов В.А., Цуркан Н.М., Рябик Л.Р. Экспериментальное определение кинетических коэффициентов при конвективной сушке картофеля// Прогресивні ресурсозберігаючі технології та їх економічне обґрунтування у підприємствах харчування. Економічні проблеми торгівлі: Зб. наук. пр. – Харків: ХДАТОХ, 2001. – Ч.1. - С. 299-305.

21. Потапов В.О. Взаємозв'язок стану вологи і деформації в процесі сушіння колоїдних капілярно-пористих тіл// Прогресивні ресурсозберігаючі технології та їх економічне обґрунтування у підприємствах харчування. Економічні проблеми торгівлі: Зб. наук. пр. – Харків: ХДАТОХ, 2002. – Ч.1. - С. 186-192.

22. Потапов В.А. Особенности нелинейной регрессии при моделировании кинетики сушки// Геометричне та комп’ютерне моделювання: Зб. наук. пр. – Харків: ХДАТОХ, 2002. - С. 125-129.

23. Потапов В.А. Система линейных дифференциальных уравнений кинетики свободной и связанной влаги в процессе сушки коллоидных капиллярно-пористых тел// Вісник ХДТУСГ “Сучасні напрямки технології та механізації процесів переробних і харчових виробництв”. - Вип. 16. - Харків, 2003. - С. 54-58.

24. Потапов В.А., Погожих Н.И. Модель поведения влаги в процессах сушки// Промышленная теплотехника. - 2003. - Т.25. - №4 - С. 423-425.

25. Потапов В.О., Погожих М.І. Молекулярно-кінетичний метод аналізу кінетики сушіння колоїдних капілярно-поруватих матеріалів// Наукові праці ОНАХТ. – Одеса, 2003. - Вип. 26. - С. 270-274.

26. Потапов В.О. Вплив форм зв'язку вологи на кінетику високоінтенсивних процесів сушіння// Прогресивні ресурсозберігаючі технології та їх економічне обґрунтування у підприємствах харчування: Зб. наук. пр. - Харків: ХДУХТ, 2003. - Ч.1. - С. 487-493.

27. Потапов В.А., Погожих Н.И. Молекулярно-кинетическая модель процессов сорбции-десорбции коллоидных капиллярно-пористых материалов// Східно-Європейський журнал передових технологій. - 2004. - №2(8). - С. 42-45.

28. Михайлов В.М., Синєкоп М.С., Потапов В.О., Ляшенко Б.В. Розробка методики та програмного комплексу для визначення теплового стану кулінарних виробів// Східно-Європейський журнал передових технологій. - 2004. - №2(8). - С. 30-32.

29. Потапов В.О. Методика чисельного моделювання гідродинамічних і теплових полів у робочому об’ємі конвективних сушарок// Прогресивні ресурсозберігаючі технології та їх економічне обґрунтування у підприємствах харчування. Економічні проблеми торгівлі: Зб.наук. пр. - Харків, ХДУХТ, 2004. - Ч.1. - С. 536-545.

30. Потапов В.О., Погожих М.І. Кінетичний метод прогнозування якості харчової сировини в процесах сушіння і збереження// Вісник ХНТУСГ імені Петра Василенка: - Харків: ХНТУСГ, 2004. - Вип. 26. - Т.2. - С. 63 -69.

31. Погожих Н.И., Пак А.О., Потапов В.А. Способ определения свободной и связанной влаги пищевых материалов// Науковий вісник Полтавського університету споживчої кооперації України. Сер.: Технічні науки. - Полтава: ПУСКУ, 2004. - Вип.4. - № 2(13). - С. 44-48.

32. Потапов В.А. Гетероэнергетическая модель тепломассопереноса в процессах сушки// Науковий вісник Полтавського університету споживчої кооперації України. Сер.: Технічні науки. - Полтава: ПУСКУ, 2004. - Вип.4. - № 2(13). - С. 62-71.

33. Потапов В.О. Кінетична модель зсідання і механічних напружень у процесі сушіння харчової сировини// Обладнання та технології харчових виробництв: Темат. зб. наук. пр. – Донецьк: ДонДУЕТ, 2005. - Вип.13. - Т.2. - С. 190-198.

34. Потапов В.О. Структурно-енергетичний метод аналізу ізотерм сорбції-десорбції харчової сировини// Прогресивні техніка та технології харчових виробництв, ресторанного господарства та торгівлі: Зб. наук. пр. - Харків: ХДУХТ, 2005. - Вип.1. - С. 313 -322.

35. Потапов В.О. Методика визначення масобмінних характеристик харчової сировини на основі структурно-енергетичної моделі кінетики сушіння// Прогресивні техніка та технології харчових виробництв ресторанного господарства і торгівлі: Зб.наук. пр. - Харків, ХДУХТ, 2006. - Вип.1. - С. 318 -327.

36. Потапов В.О. Раціональні режими і принципи оптимального управління процесом сушіння харчової сировини// Обладнання та технології харчових виробництв: Темат. зб. наук. пр. – Донецьк: ДонДУЕТ, 2006. - Вип. 5. - Т.2. - С. 141-148.

37. Потапов В.А., Погожих Н.И. Система уравнений кинетики переноса процесса сушки коллоидных капиллярно-пористых тел// Промышленная теплотехника.- 2006. - Т.28. - №3 - С. 423-425

38. 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.

39. Деклараційний патент Україна МПК⁷ А23 В 7/03. Способ сушіння харчових продуктів / М.І. Погожих, В.О. Потапов, Є.М. Якушенко (Україна).- №2003119857; Заявл. 04.11.2003; Опубл. 15.07.2004, Бюл. №7. – 3 с.

40. Гришин М.О., Погожих М.І., Потапов В.О. Високоякісні сушені овочі, альтернативні сублімаційним/ Розвиток масового харчування, готельного господарства і туризму в умовах ринкових відносин: Праці міжнар. наук.-практ. конф. - Київ: КДТЕУ, 1994. - С. 74.

41. Гришин М.А., Погожих Н.И., Потапов В.А. О механизме колебательного фильтрационного переноса в процессе сушки со смешанным теплоподводом// Перспективы развития массового питания и торговли в условиях перехода к рыночной экономике: Труды междунар. конф. - Харьков: ХГАТОП, 1994. - С. 191-192.

42. Погожих Н.И., Потапов В.А. Исследование давления внутри материала при СТП-сушке// Потребительская кооперация в переходный период. Проблемы и перспективы: Труды науч.-практ. конф. - Полтава: ПКИ, 1995. - С. 85.

43. Погожих Н.И., Потапов В.А., Сомов А.С. Экспериментальное изучение процессов в пограничной области при СТП-сушке// Потребительская кооперация в переходный период. Проблемы и перспективы: Труды науч.-практ. конф. - Полтава: ПКИ, 1995. - С. 86.

44. Гришин М.А., Потапов В.А., Погожих Н.И. Метод анализа кинетики сушки// Удосконалення процесів та апаратів хімічних, харчових та нафтохімічних виробництв: Праці ІХ Міжнар. конф. - Одеса: ОДАХТ, 1996. – Ч.2. - С. 93.

45. Гришин М.А., Жуков В.В., Погожих Н.И., Потапов В.А. Исследование равновесного состояния влаги в сушеных продуктах методами ЯМР// Удосконалення процесів га апаратів хімічних, харчових та нафтохімічних виробництв: Праці ІХ Міжнар. конф. - Одеса: ОДАХТ, 1996. – Ч.2. - С. 102.

46. Потапов В.О. Фізична модель зв’язку стану вологи з кінетикою деформування в процесі сушіння// Стратегічні напрямки розвитку підприємств харчових виробництв і торгівлі: Тези доповідей міжнар. наук.-практ. конф. - Харків, 2002. - С. 265-266.

47. Потапов В.А., Погожих Н.И., Цуркан Н.М. Экспериментальное определение движущих сил кинетики сушки// Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов): Труды междунар. науч.-практ. конф. - М.: МГАУ, 2002. - Т.2. - С. 118-121.

48. Потапов В.О. Визначення енергії зв'язку вологи по кінетиці температури в процесі сушіння// Управлінські та технологічні аспекти розвитку підприємств харчування торгівлі: Тези доп . міжнар. наук.-практ. конф. - Харків, 2003. – С. 318-321.

49. Сомов А.С., Потапов В.О., Мудровський Т.Г. Експериментальна методика визначення вільної та зв’язаної вологи методом диференційної термопари// Актуальні проблеми харчування: технологія та обладнання, організація і економіка: Тези доп. міжнар. наук.-практ. конф. - Святогорськ, 2003. - С. 119.

50. Потапов В.А., Погожих Н.И. Система уравнений кинетики переноса для процесса сушки коллоидных капиллярно-пористых тел// Проблемы промышленной теплотехники: Тезисы IV Междунар. конф. - Киев, 2005. - С. 225-226.