CC BY
8УДК 664.8.039.51+66.047.4/.5
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЦЕССА СУШКИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО СЫРЬЯ В КОМПАКТНОМ УСТРОЙСТВЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ ИНФРАКРАСНОЙ СУШКИ
Сергеев М.А., аспирант; ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет»; Завалий А.А., доктор технических наук, доцент;
Ермолин Д.В., кандидат технических наук, доцент;
Институт «Агротехнологическая академия» ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского».
Для оценки удельных энергетических затрат и продолжительности процесса сушки в оригинальном компактном устройстве динамической инфракрасной сушки и компактном устройстве конвективной сушки выполнены сравнительные сушки виноградной выжимки из свежего винограда сорта каберне. Получено, что динамическая инфракрасная сушка в компактном устройстве позволяет получить продукт сушки влажностью 7 % из виноградной выжимки исходной влажностью 70 % за 13 часов сушки при температуре сырья 60 °С при затратах энергии на процесс сушки 2,314 кВт-ч/кгсырья или 3,510кВт-ч/кг испарённой влаги. Установлено, что
EXPERIMENTAL DETERMINATION OF THE CHARACTERISTICS OF THE DRYING PROCESS OF AGRICULTURAL RAW MATERIALS IN A COMPACT DEVICE FOR DYNAMIC INFRARED DRYING
Sergeev M.A., post-graduate student; FSFEI HI «Don State Technical University»;
Zavaliy AA., Doctor of Technical Sciences, Associate Professor; Ermolin D.V., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor; Institute «Agrotechnological Academy» of the FSAEI HE «V.I. Vernadsky Crimean Federal University».
Comparative drying grape pomace from cabernet variety fresh grapes that was carried out for estimating specific power consumption and drying process duration in the original compact device of dynamic infra-red drying and the convective drying compact device. It was found that dynamic infra-red drying in a compact device allows to obtain a product with 7 % moisture content from grape-press with 70 % initial moisture content during 13 hours of drying at temperature of 60 °C at consumption of energy for drying process of 2.314 kWh/kg raw material or 3.510 kWh/kg of evaporated moisture. It is found that reduction of raw material temperature during drying leads to an
75
снижение температуры сырья в ходе сушки приводит не только к увеличению продолжительности, но и к увеличению удельных затрат энергии на процесс сушки.
В сравнении с сушкой в конвективном компактном устройстве динамическая инфракрасная сушка является более эффективной как по удельным затратам энергии, так и по продолжительности сушки. Так, при сушке при температуре сырья 60 °С удельные затраты инфракрасной сушки на 20 % ниже, чем при конвективной, в продолжительность сушки меньше на 32 %. При снижении температуры сырья в ходе сушки разница в затратах энергии и продолжительности сушки растёт.
Ключевые слова: динамическая инфракрасная сушка, конвективная сушка, растительное сырьё, энергетические затраты, продолжительность сушки.
increase in both duration and specific energy consumption for drying process.
In comparison with drying in a convective compact device, dynamic infrared drying is more effective both in terms of specific energy consumption and drying timeThus, when drying on raw material 60 °C temperature, the specific costs of infrared drying are 20 % lower than for convective drying, and the duration of drying is 32 % shorter. As the raw material temperature decreases during drying, the difference in energy consumption and drying time grows.
Key words: dynamic infrared drying, convective drying, plant raw materials, energy consumption, drying time.
Введение. Для сушки сельскохозяйственного сырья с высоким содержанием биологически активных веществ, такого как ягоды, фрукты, эфироносные и лекарственные травы, стевия, выжимка винограда нами разрабатываются компактные устройства динамической инфракрасной сушки.
Под динамической сушкой мы понимаем циклически изменяющееся во времени тепловое воздействие на сырьё в ходе сушки. Такое воздействие оказывается на сырьё как в камерных, так и в конвейерных устройствах конвективного, инфракрасного и СВЧ типов [1-4]. В камерных устройствах циклы термического воздействия на сырьё осуществляются релейным регулированием температуры сырья или агента сушки, в инфракрасных и СВЧ конвейерных устройствах циклы реализуются перемещением сырья между излучателями, установленными на некотором расстоянии друг от друга. Малая инерционность излучателей в инфракрасных и СВЧ устройствах сушки позволяет создавать более динамичное тепловое воздействие на сырьё, которое называют импульсным и рассматривают как способ интенсификации процесса сушки [5-7].
Целью настоящей работы является определение удельных энергетических затрат и продолжительности динамической инфракрасной сушки растительно-
76
го сырья на примере виноградном выжимки, полученной из свежего винограда сорта каберне, в компактном устройстве, а также сравнение указанных характеристик процесса сушки с характеристиками конвективной сушки в компактном устройстве.
Материал и методы исследований. Схема разрабатываемого нами компактного многоярусного шкафного устройства динамической инфракрасной сушки приведена на рис. 1. Устройство состоит из сушильной камеры 1 и расположенных в камере ярусами сетчатых лотков 2 для сырья. На подвижной каретке 4, снабжённой управляемым приводом, между лотками установлены инфракрасные (ИК) излучатели 3 трубчатой формы так, что каждый лоток имеет над собой и под собой инфракрасный излучатель. Каретка имеет возможность перемещаться возвратно-поступательно вдоль лотков по направляющим 5. В донной части камеры выполнены отверстия 6 для забора воздуха в объём камеры, а в верхней части камеры для удаления из объёма камеры испарённой влаги установлены вытяжные вентиляторы 7.
Движущиеся между лотками линейные трубчатые излучатели обеспечивают равномерный подвод теплоты ко всей поверхности высушиваемого сырья как сверху, так и снизу. Расстояние между лотками ограничивается наружным диаметром излучателя и толщиной слоя сырья на лотке и может составлять не более 40 мм. Движение излучателя как локального источника нагрева обеспечивает динамические условия передачи тепловой энергии поверхности сырья, реализуя тем самым тепловые волны или. Сырьё размещается на лотках устройства целыми ягодами, нарезанными ломтиками фруктов, слоем листьев или выжимки винограда толщиной до 25 мм. Сушка в устройстве осуществляется по заданному значению температуры сырья, для чего в сырьё размещают измерительный преобразователь температуры (термопару), измерительный сигнал которого подаётся на контроллер температуры, управляющий электрическим питанием ИК излучателей.
I I I | I
Рисунок 1. Схема многоярусного шкафного устройства инфракрасной сушки сельскохозяйственного растительного сырья
Для экспериментального определения энергетических затрат на процесс сушки, скорости сушки и влажности продукта сушки нами изготовлено компактное устройство динамической инфракрасной сушки, общий вид которого представлен на рис. 2.
77
Устройство содержит 8 ярусов, расстояние между которыми составляет 65 мм. На ярусе размещаются два лотка размерами 1000x650 мм, то есть площадь размещения сырья на каждом ярусе составляет 1,3 м2. Между ярусами установлены ИК излучатели, выполненные из фехралевой спиральной проволоки, помещённой в трубку кварцевого стекла диаметром 10 мм. Электрическая
мощность ИК излучателя - 1000 Вт. Длина ИК излучателя составляет 1000 мм.
. '
а) б)
Рисунок 2. Общий вид компактного шкафного устройства динамической инфракрасной сушки спереди слева (а) и сзади справа (б)
Для снижения потока теплового излучения от ИК излучателя за пределы лотков с сырьём для сушки на излучателях установлены плоские зеркально отражающие экраны (см. рис. 3) так, что отражённое излучение попадает на поверхность лотков с сырьём. Экраны выполнены из листового аланода (зеркально полированного анодированного листового алюминия) толщиной 0,4 мм. Длина экрана составляет 1000 мм, высота - 40 мм. Подключение каждого ИК излучателя к сети электрического питания автономно, что позволяет использовать только требуемое для выполняемого процесса сушки количество излучателей при неполной загрузке устройства сырьём.
Рисунок 3 - Схема ИК излучателя: 1 - спираль ИК излучателя; 2 - трубка из кварцевого стекла; 3 - зеркальный отражатель; 4 - нижний лоток; 5 - верхний лоток
В качестве вытяжных вентиляторов в устройстве использованы 4 вентилятора FD8038A2HS потребляемой мощностью не более 16 Вт и объёмной производительностью до 40 м3/ч.
Для определения характеристик процесса сушки использовали измерительные приборы: таймер, весы тензометрические, счётчик расходования электроэнергии. Экспериментальное исследование процесса сушки выполняли при
78
сушке виноградной выжимки, полученной в результате прессования свежего винограда сорта каберне. В ходе эксперимента использовали 1 ярус устройства динамической инфракрасной сушки, для сушки сырья включали два ИК излучателя, размещённые над и под лотками с сырьём.
Для сравнения характеристик процесса сушки использовали компактное устройство конвективной сушки «Люкс Электросушилка ЭСБ «В0ЛТЕРА-1000» потребляемой мощностью 1000 Вт [4]. Устройство содержит 5 круговых лотков-решёт наружным диаметром 388 мм, размещённых друг на руге на расстоянии 40 мм. Устройство автоматически поддерживает температуру агента сушки в пределах от 40 до 60 °С и обеспечивает высокий уровень равномерности процесса сушки в объёме устройства [8].
Сушку осуществляли параллельно в обоих устройствах в течение 22 часов для 3-х температурных режимов: 40 °С, 50 °С, 60 °С. Для создания идентичных условий сушки сырьё размещали на лотках обоих устройств так, чтобы масса сырья на единицу площади лотков устройств была одинакова: на лоток конвективного устройства размещали 0,8 кг сырья, а на лоток инфракрасного устройства - 4,5 кг сырья. Скорость движения каретки с ИК излучателями в ходе сушек составляла 0,1 м/с.
Показания массы и расхода электроэнергии регистрировали 1 раз в час. Конвективное устройство сушки в ходе экспериментов располагалось на весах, что позволяло регистрировать изменение массы, не вмешиваясь в работу устройства. Для регистрации значений массы сырья в устройстве ИК сушки лотки вынимали из устройства и размещали на весах.
Результаты и обсуждение. Для каждого температурного режима выполнено по 4 сушки. В результате получены зависимости убыли массы сырья и затрат энергии от продолжительности сушки. На рис. 4 приведены зависимости убыли массы сырья в ходе сушки в конвективном и инфракрасном устройствах, а на рис. 5 - зависимости затрат энергии на испарение 1 кг влаги.
т
1
0 9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Время, Ч Рисунок 4 - Зависимости убыли массы сырья в ходе сушки
от продолжительности сушки
79
е,
кВтч/кг
40 35 30 25 20 15 10 5 О
и 2 4 5 8 1С 12 14 16 время, ч
Рисунок 5. Зависимости затрат энергии на испарение 1 кг влаги от продолжительности сушки
После сушки досушиванием продукта инфракрасной сушки в сухожаро-вом шкафу определили массу сухого вещества и, соответственно, конечную влажность продукта сушки фп и исходную влажность сырья ф0. Влажность сырья составила 69±1,5 %. Конечная влажность продукта после инфракрасной сушки в течение 22 часов при 60 °С составила фп = 6,2±0,3 %, при 50 0С фп = 12,1±0,35 %, при 40 °С фп = 28,1±0,43 %,.
По данным исходной влажности сырья и убыли массы рассчитаны кривые сушки (см. рис. 6).
Ф,%
70 60 50 40 30 20 10 О
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 время, Ч Рисунок 6. Кривые сушки виноградной выжимки в инфракрасном и конвективном компактных устройствах
Сравнение затрат энергии на процесс сушки и продолжительности сушки выполняли для фиксированных значений влажности продукта сушки фп: для сушки при температуре 60 °С - фп = 7 % (влажность, обеспечивающая длительную сохранность в продукте сушки биологически активных веществ), для сушки при температуре 50 °С - фп = 25 % (минимально достигнутая влаж-
■ конвективная 60 С □ ИК60°С
♦ коне активная 50°С ■ « ИК50°С
• конвективная 40°С о ИК40°С
о
Ш
♦
80
ность при конвективной сушке на данном режиме), для сушки при температуре 40 °С - фп = 36 % (минимально достигнутая влажность при конвективной сушке на данном режиме). В таблице 1 приведены усреднённые величины энергетических затрат процесса сушки на 1 кг сырья и на 1 кг испарённой влаги, а также время сушки для заданных величин влажности продукта сушки.
Таблица 1. Параметры эффективных режимов сушки _для данных на рисунке 3_
фП, % Итоговые затраты, кВт^ч/кг сырья Итоговые затраты, кВт^ч/кг влаги Время сушки, ч
60 °С 50 °С 40 °С 60 °С 50 °С 40 °С 60 °С 50 °С 40 °С
конвективная сушка
7 2,952 4,402 19
25 1,774 2,312 2,645 3,865 11 21
36 1,310 1,405 1,650 1,952 2,348 3,248 8 12 22
ин( факрасная сушка
7 2,314 3,510 13
25 1,431 1,624 2,170 2,598 6 12
36 1,047 1,050 1,193 1,588 1,680 2,328 4 7 12
На рис. 7 приведены диаграммы отношений затрат энергии и времени инфракрасной сушки к затратам энергии и времени конвективной сушки.
60С 50 С 40 с
60 С 50 С 40 С
60 С 50 С 40 С
а) б) в)
Рисунок 7. Отношение затрат энергии и времени инфракрасной сушки к затратам энергии и времени конвективной сушки: затраты энергии в кВт*ч/кг сырья (а), затраты энергии в кВт*ч/кг испарённой влаги (б), время сушки (в) для заданных величин влажности продукта сушки 1 - фп = 7 %; 2 - фп = 25 %; 3 - фп = 34 %
81
Как следует из рисунка 6 и таблицы 1 динамическая инфракрасная сушка в компактном устройстве позволяет получить продукт сушки виноградной выжимки, имеющей исходную влажность 70 %, влажностью 7 % за 13 часов сушки при температуре сырья в ходе сушки, равной 60 °С. При этом затраты энергии на процесс сушки составляют 2,314 кВт-ч/кг сырья или 3,510 кВт-ч/кг испарённой влаги. При снижении температуры сырья в ходе сушки до 50 °С динамическая инфракрасная сушка в компактном устройстве в течение 22 часов позволяет достичь влажности продукта сушки, равной 10 %, при этом затраты энергии на процесс сушки составляют 2,456 кВт-ч/кг сырья или 3,930 кВт-ч/кг испарённой влаги. Таким образом, снижение температуры сырья в ходе сушки приводит не только к увеличению продолжительности процесса сушки, но и к увеличению удельных затрат энергии на процесс сушки.
В сравнении с сушкой в конвективном компактном устройстве динамическая инфракрасная сушка является более эффективной как по удельным затратам энергии, так и по продолжительности сушки. Так, при сушке при температуре сырья 60 °С удельные затраты инфракрасной сушки на 20 % ниже, чем при конвективной, а продолжительность сушки меньше на 32 %. При снижении температуры сырья в ходе сушки разница в затратах энергии и продолжительности сушки растёт.
Выводы. Разработана конструкция и изготовлено экспериментальное компактное многоярусное устройство динамической инфракрасной сушки растительного сырья с высоким содержанием биологически активных веществ.
Экспериментально определены сравнительные характеристики процесса сушки виноградной выжимки в разработанном компактном устройстве динамической инфракрасной сушки и компактном устройстве конвективной сушки. Эффективными режимами сушки являются предельно большие по допустимому для сохранности биологически активных веществ температуры сырья в ходе сушки. Снижение температуры сырья в ходе сушки с 60 °С до 50 °С приводит к увеличению удельных энергетических затрат более чем на 10 %, а продолжительность сушки увеличивается в 1,7 раза.
Динамическая инфракрасная сушка в разработанном компактном устройстве эффективнее конвективной сушки в компактном устройстве по затратам в 1,2 раза, а по продолжительности сушки в 1,3 раза.
Список использованных источников:
1. Устройство для импульсной инфракрасной сушки термолабильных материалов [Текст] : пат. 193685 Рос. Федерация : МПК51 F26 В9/06 (2006.01) F26 В3/30 (2006.01) / Завалий А.А., Паштецкий В.С., Рутенко В.С., Рыбалко А.С., Лаго Л.А.; заявитель и патентообладатель ФГБУН «Научно-ис-
References:
1. Device for pulsed infrared drying of thermolabile materials [Text] : pat. 193685 Russian. Federation : IPC51 F26 B9/06 (2006.01) F26 B3/30 (2006.01)/ Zavaliy A.A., Pashtetsky V.S., Rutenko V. S., Rybalko A.S., Lago L.A.; applicant and patent holder of the Federal State Budgetary Institution "Scientific
82
следовательский институт сельского хозяйства». - Заявл. 20.03.2019 ; опубл. 11.11.2019, Бюл. № 32. - 11 с. : ил.
2. Инфракрасные сушильные конвейерные линии [Электронный ресурс]. - URL: https://promsushka. ru/produktsiya/infrakrasnyye-konveyyernyye-linii/. (дата обращения: 21.10.2021).
3. Комбинированная конвейерная СВЧ установка «Hot Stream» [Электронный ресурс]. - URL: https://greenpower.equipment/ru/ produkciya/ zakazat- kombinirovannaja-konvejernaja- svch- ustanovka- hot-stream/. (дата обращения: 31.10.2021).
4. Электросушилка бытовая : пат. RU149711U1 [Текст] / Багиров Ю. Н., Богословский А. Б.; заявитель и патентообладатель общество с ограниченной ответственностью «РосТехБыт». -RU2014110101/06U; заявл. 14.03.2014; опубл.20.01.2015, Бюл. № 2. - 6 с.: ил.
5. Григорьев И.В., Рудобашта С.П. Импульсная инфракрасная сушка семян овощных культур // Вестник ФГОУ ВПО «МГАУ имени В.П. Горяч-кина». - 2009. - № 4. - С. 7-10.
6. Рудобашта С.П., Григорьев И.В. Импульсная инфракрасная сушка семян овощных культур, нетрадиционных и редких растений // Промышленная теплотехника. — 2011. — Т. 33. — № 8. — С. 85-90.
7. Снежкин Ю.Ф., Боряк Л.А., Избасаров Д.С. Энергосбережение и интенсификация процесса сушки импульсным ИК-облучением // Промышленная теплотехника. — 2001. — № 4-5. — С. 90-94.
8. Завалий А.А. Сравнительная оценка энергоэффективности сушки
Research Institute of Agriculture". -Application. 20.03.2019; publ. 11.11.2019, Bul. No. 32. - 11 p. : ill.
2. Infrared drying conveyor lines [Electronic resource]. - URL: https://promsushka.ru/ produktsiya/ infrakrasnyye-konveyyernyye-linii/. (accessed: 10/21/2021).
3. Combined conveyor microwave installation "Hot Stream" [Electronic resource]. - URL: https://greenpower. equipment/ru/produkciya/ zakazat-kombinirovannaja- konvejernaja-svch- ustanovka- hot- stream/. (date of application: 31.10.2021).
4. Household electric dryer : pat. RU149711U1 [Text] / Bagirov Yu. N., Bogoslovsky A. B.; applicant and patent holder limited liability company "rOstEkhByt". - RU2014110101/06U; application 14.03.2014; publ.20.01.2015, Bul. No. 2. - 6 p.: ill.
5. Grigoriev I.V., Rudobashta S.P. Pulsed infrared drying of vegetable seeds // Vestnik FGOU VPO "MGAU named after V.P. Goryachkin". - 2009. -No. 4. - P. 7-10.
6. Rudobashta S.P., Grigoriev I.V. Pulsed infrared drying of vegetable seeds, non-traditional and rare plants // Industrial heat engineering. - 2011. -Vol. 33. - No. 8. - P. 85-90.
7. Snezhkin Yu.F., Boryak L.A., Izbasarov D.S. Energy saving and intensification of the drying process by pulsed IR irradiation // Industrial heat engineering. - 2001. - No. 4-5. -P. 90-94.
8. Zavaliy A.A. Comparative evaluation of the energy efficiency of berry drying in compact convective and infrared drying devices / A.A. Zavaliy, L.A. Lago, A.S. Rybalko // News of
83
ягод в компактных устройствах конвективной и инфракрасной сушки / А.А. Завалий, Л.А. Лаго, А.С. Рыбалко // Известия сельскохозяйственной науки Тавриды. - 2020. - Вып. № 22 (185). - С. 78-90.
agricultural science of Taurida. - 2020. -Issue No. 22 (185). - pp. 78-90.
Сведения об авторах:
Сергеев Михаил Александрович - аспирант ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», email: m-sergeev1@mail.ru, 344003, Россия, ЮФО, Ростовская область, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет».
Завалий Алексей Алексеевич -доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой общетехнических дисциплин Института «Агротех-нологическая академия» ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского», e-mail: zavalym@mail.ru, 295492, Россия, Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Институт «Агротехноло-гическая академия» ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И.Вернадского».
Ермолин Дмитрий Владимирович - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой виноделия и бродильных производств Института «Агротехнологическая академия» ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского», e-mail: dimayermolin@mail.ru, 295492, Россия, Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Институт «Агро-технологическая академия» ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И.Вернадского».
Information about the authors:
Sergeyev Mikhail Aleksandrovich -post-graduate student of the FSFEI HI "Don State Technical University", email: m-sergeev1@mail.ru, FSFEI HI "Don State Technical University", Gagarin Square, 1, Rostov-on-Don, Rostov region, Southern Federal District, 344003, Russia.
Zavaliy Alexey Alekseevich -Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, the Head of the Department of «All-technical disciplines» of the Institute "Agrotechnological academy" of the FSAEI HE "V.I. Vernadsky Crimean Federal University", e-mail: zavalym@mail.ru, Institute "Agro-technological academy" of the FSAEI HE "V.I. Vernadsky Crimean Federal University", Agrarnoye v., Simferopol, Republic of Crimea, 295492, Russia.
Yermolin Dmitry Vladimirovich -Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Winemaking and Fermentation Production of the Institute "Agrotechnological academy" of the FSAEI HE "V.I. Vernadsky Crimean Federal University", e-mail: dimayermolin@mail.ru, Institute "Agro-technological academy" of the FSAEI HE "V.I. Vernadsky Crimean Federal University", Agrarnoye v., Simferopol, Republic of Crimea, 295492, Russia.
84
