CC BY
2УДК 664.8.039.51:53.09
РАСЧЁТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДИНАМИЧЕСКОЙ
ИНФРАКРАСНОЙ СУШКИ В МНОГОЯРУСНОМ ШКАФНОМ УСТРОЙСТВЕ
Завалий А.А., доктор технических наук, доцент;
Ермолин Д.В., кандидат технических наук, доцент;
Институт «Агротехнологическая академия» ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет им. В. И. Вернадского»;
Сергеев М.А., проректор; ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет им. В. И. Вернадского»;
С использованием имитационной модели процесса сушки высоковлажного сырья при комбинированном конвективно-лучистом теплоподводе определены режимные параметры динамической инфракрасной сушки в многоярусном шкафном устройстве с перемещающимися источниками инфракрасного излучения, обеспечивающие эффективный процесс сушки термолабильного высоковлажного растительного сырья, насыщенного биологически активными веществами.
Ключевые слова: динамическая инфракрасная сушка, имитационная модель, растительное сырьё.
CALCULATED SIMULATION PROCESS OF DYNAMIC INFRARED DRYING IN MULTI-STORY CABINET
Zavalii A.A., Doctor of Technical Sciences, Associate Professor; Ermolin D.V., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor; Institute «Agrotechnological academy» of FSAEI HE «V.I. Vernadsky Crimean Federal University»; Sergeev M.A., Vice rector; FSAEI HE «V.I. Vernadsky Crimean Federal University».
Simulation model usage of the drying process high-moisture raw materials at combined convective-radiant heat supply, the process data in dynamic infrared drying with a multitier cabinet unit by moving infrared radiation sources are determined, which provide an effective drying process for thermolabile high-moisture plant raw materials saturated with biologically active substances.
Keywords: dynamic infrared drying, simulation model, vegetable raw materials.
Введение. Сушка является одной из основных технологий первичной переработки растительного сельскохозяйственного сырья, сохраняющей полезные свойства сырья и обеспечивающей условия для длительного хранения продукта сушки, его транспортировки и дальнейшей переработки. Получение продукта сушки, сохраняющего максимально возможное содержание биологического по-
76
тенциала исходного растительного сырья, является актуальной задачей первичной переработки сельскохозяйственной продукции.
Эффективным способом сохранения биологически активных и питательных веществ продукции растениеводства является инфракрасная сушка, благодаря простоте и невысокой стоимости реализующих её устройств, экологической безопасности, высокой управляемости тепловых режимов сушки, возможности изготовления эффективных компактных устройств и их размещении непосредственно в сельскохозяйственных предприятиях. Высокое качество продукта сушки обеспечивают низкий уровень контакта высушиваемого сырья с окислительной средой атмосферного воздуха и высокая скорость влагоудаления при наибольших предельно допустимых значениях температуры сырья в ходе сушки[1, 2].
Основными недостатками инфракрасной сушки являются высокая неравномерность подвода тепловой энергии к влажному сырью и низкая объёмная производительность устройств инфракрасной сушки.
Для устранения этих недостатков нами разрабатываются устройства динамической инфракрасной сушки сельскохозяйственного сырья.
Целью настоящей работы является определение диапазонов режимных параметров компактного многоярусного устройства динамической инфракрасной сушки, к которым относятся тепловая мощность инфракрасного излучателя, скорость движения излучателя над поверхностью подлежащего сушке сырья, интенсивность вентиляции объёма устройства сушки воздухом и температура вентилирующего объём устройства воздуха.
При заданном значении температуры сырья в ходе сушки перечисленные параметры определяют время сушки и затраты энергии на процесс сушки. Чем меньше время сушки, тем большее количество биологически активных веществ сохраняется в продукте сушки [3].
Материал и методы исследований. Объектом исследования является многоярусное шкафное устройство инфракрасной сушки сельскохозяйственного растительного сырья, схема которого представлена 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 обеспе-
77
чивает динамические условия передачи тепловой энергии поверхности сырья, реализуя тем самым тепловые волны или импульсы как механизм интенсификации процесса сушки. Эффективность импульсных режимов инфракрасной сушки растительного сырья как способа интенсификации процесса сушки показана в работах [4 - 8]. Сырьём для сушки являются фрукты, овощи, ягоды в виде целых или нарезанных ломтиками или дольками толщиной 4...9 мм плодов, размещенных на лотках устройства в 1... 2 слоя.
Ш 7 > 2 7
3
1
шщт
а=а
□
□
Рисунок 1. Схема многоярусного шкафного устройства инфракрасной сушки сельскохозяйственного растительного сырья
Для моделирования процесса сушки использована полуэмпирическая модель кинетики сушки при комбинированном конвективно-лучистом теплопод-воде к сырью, в которой для составления теплового и материального балансов процесса сушки использованы эмпирические уравнения интенсивности испарения влаги с поверхности сырья и конвективного теплообмена на границе поверхность сырья - окружающая атмосфера [9]. На рисунке 2 представлена расчётная схема устройства сушки.
На сетчатом лотке 1 расположен влажный материал 2 слоем, высота которого Нп0. Над лотком длиной LizЮ и шириной Ькп с подлежащим сушке сырьём движется ИК излучатель длиной Lqik0 и шириной Ькп со скоростью Vn. В межлоточном канале 4 высотой hkn движется поток воздуха 5 со скоростью Vk. Расчетная длина слоя сырья Ln0 используется в модели как длина слоя, в котором происходят процессы тепомассопереноса при постоянных значениях определяющих величин. Расчетное время для решения уравнений теплового и материального балансов определяется отношением Ln0/Vn. Допущениями модели являются постоянство температуры сырья по его глубине и постоянство температуры воздуха, проходящего через устройство сушки.
Моделируемый процесс - процесс сушки в камерном устройстве при заданных постоянном максимальном значении температуры сырья и величине гистерезиса регулирования температуры. Такое управление осуществляется релейным регулятором, включающим и отключающим источники теплового излучения по показаниям малогабаритного измерительного преобразователя температуры, например, термопары, рабочий спай которой размещают в высу-
78
шиваемом сырье на глубине 2-4 мм.
LqiltO
а
±
1
7
Lizto
Рисунок 2. Расчётная схема модели устройства сушки
Моделирование выполним для устройства, содержащего 6 лотков размерами 1х1 м, на которых размещается 22,5 кг сырья исходной влажностью 85 % для следующих исходных данных и диапазонов их изменения:
- давление в камере - Рк = 101325 Па;
- тепловая мощность ИК излучателя - qизл = 400 - 2000 Вт/м2 площади лотка;
- максимальная температура сырья в ходе сушки - te = 65 °С;
- гистерезис регулирования температуры - Ate = 1 °С;
- температура воздуха в помещении - t0 = 20 °С;
- температура воздуха в камере - tk = 25-65 °С;
- скорость воздуха в камере - Vk = 0,06-0,4 м/с;
- скорость движения излучателей - Vn = 0,05-0,4 м/с;
- влажность продукта сушки - фп = 12 %.
Результаты и обсуждение. На рисунке 3 приведены зависимости затрат энергии и времени сушки от температуры вентилирующего камеру воздуха для тепловой мощности излучателя 400, 600 и 1000 Вт, скорости движения излучателей 0,05 и 0,1 м/с и скорости вентилирующего воздуха 0,2 и 0,4 м/с.
♦ - qron = 1000 Вт, Vn = 0,05 м/с, Vk = 0,4 м/с;
◊ дизл = 1000 Вт, Vn = 0,1 м/с, Vk = 0,4 м/с;
■ - дизл = 600 Вт, Vn = 0,05 м/с, Vk = 0,4 м/с;
□ - дизл = 600 Вт, Vn = 0,05 м/с, Vk = 0,2 м/с;
• - дизл = 400 Вт, Vn = 0,05 м/с, Vk = 0,2 м/с;
1 - суммарные затраты энергии, кВт^ч;
2 - затраты энергии ИК-излучателей, кВт^ч;
3 - время сушки, ч
20
30
40
SO
60
Рисунок 3. Зависимость затрат энергии и времени сушки от температуры вентилирующего камеру воздуха
79
Из графика, представленного на рисунке 3, следует, что наиболее эффективными режимами, обеспечивающими меньшие время сушки и удельные затраты на влагоудаление, являются режимы при температуре воздуха в камере, равной температуре сырья в ходе сушки, то есть
& = tc = 65 °С
Параметры наиболее эффективных режимов сушки для данных на рисунке 3 приведены в таблице 1 (режимы 1, 2 и 3). Здесь же для сравнения приведены параметры наиболее затратного и продолжительного режима (режим 4).
Таблица 1. Параметры эффективных режимов сушки для данных на рисунке 3
Режим 1 2 3 4
Скорость каретки, м/с 0,05 0,05 0,05 0,05
Температура воздуха в камере, С 65 65 65 25
Скорость воздуха в камере, м/с 0,2 0,2 0,4 0,4
Мощность излучателя, кВт 600 400 1000 600
Время сушки, ч 10,19 10,62 9,278 15,62
Затраты ИК излучения, кВт-час 13,02 14,12 12,5 53,68
Затраты ИК+конвектор, кВт-час 17,87 19,20 21,33 53,88
Затраты на испарение 1 кг влаги, кВт^ч/кг 1,088 1,169 1,299 3,280
Как следует из рис. 3 и табл. 1, повышению эффективности процесса сушки способствуют снижение скоростей движения воздуха Vk и излучателей Vn. При снижении скорости движения воздуха Vk увеличивается его влажность из-за насыщения испарённой из сырья влагой, как следствие снижается интенсивность испарения, увеличивается время сушки, растут затраты на её осуществление. При низких значениях скорости Vk и температуры 1к воздуха сушка не может быть осуществлена при тепловой мощности излучателей 600 Вт/м2 и ниже, так как влажность воздуха в камере достигает 100 %. Снижение тепловой мощности излучателей ограничено возможностью обеспечивать процесс влагоудале-ния из сырья подводом к нему тепловой энергии инфракрасным излучением.
На рис. 4 приведены зависимости затрат энергии и времени сушки от мощности ИК-излучателей и скорости их движения в межлоточном пространстве. Скорость движения и температура вентилирующего воздуха Vk = 0,4 м/с, 1к = 65 °С, скорость движения ИК излучателей для рис. 4 а Vn = 0,05 м/с. Из графика на рис. 4 а следует, что при снижении тепловой мощности ИК излучателей ниже 800 Вт/м2 температура воздуха падает, то есть энергии излучателей недостаточно для осуществления процесса сушки при заданной температуре сырья. При увеличении мощности выше 1000 Вт/м2 температура воздуха уве-
80
личивается, то есть часть энергии излучателем расходуется на дополнительным нагрев воздуха.
Примечание: Обозначения 1, 2 и 3 см. на рисунках 3, 4 - изменение температуры вентилирующего воздуха при прохождении через камеру сушки
Рисунок 4. Зависимость затрат энергии и времени сушки от мощности ИК-излучателей и скорости движения каретки с ИК-излучателями
Из графика на рис. 4 б следует, что увеличение скорости движения ИК излучателей приводит к незначительному росту затрат энергии и времени сушки. При медленном движении излучателей передача тепловой энергии поверхности сырья имеет выраженный характер «тепловой волны», так как в текущий момент времени тепловую энергию получает только ограниченный участок поверхности. Это может приводить к локальному перегреву сырья и, соответственно, интенсификации испарения из него влаги. При быстром движении излучателей над поверхностью сырья передача тепловой энергии поверхности сырья по своему характеру стремится к равномерному облучению всей поверхности, амплитуда «тепловой волны» снижается, величина локального перегрева уменьшается, явление интенсификации испарения становится менее выраженным.
Анализ результатов моделирования, представленных на рис. 3 и рис. 4, позволяет предположить, что наиболее эффективным режимом сушки является режим, использующий тепловую мощность ИК излучателей qизл = 1000 Вт при температуре воздуха в камере, равной заданному значению температуры сырья в ходе сушки ^к = 65 °С), и малые значения скорости движения излучателей Уп и скорости движения воздуха Ук.
На рис. 5 представлены зависимости затрат энергии и времени сушки от скорости движения воздуха в камере для значений скорости движения излучателей Уп, равных 0,05 и 0,4 м/с. Параметры наиболее эффективных режимов сушки для данных на рис. 5 приведены в таблице 2.
81
о од о,; о,з УК, м/с Примечание: обозначения 1, 2 и 3 см. на рис. 3 Рисунок 5. Зависимость затрат энергии и времени сушки от скорости
движения воздуха в камере
Таблица 2. Параметры эффективных режимов сушки для данных на рисунке 5
Режим 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Скорость каретки, м/с 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,05 0,05 0,05 0,05
Скорость воздуха в камере, м/с 0,4 0,3 0,2 0,12 0,06 0,4 0,24 0,12 0,06
Время сушки, ч 9,462 9,719 10,29 11,62 16,76 9,278 9,791 10,96 15,74
Затраты на
испарение 1 кг влаги, кВт^ч/кг 1,414 1,231 1,106 0,999 0,924 1,298 1,135 0,871 0,814
Наиболее эффективными по величине удельных затрат энергии на процесс сушки являются режимы 5 и 9 из таблицы 2. Однако они существенно более продолжительные по времени (на 44 % превышают время сушки на режимах 4 и 8). Конкурентами для рационального выбора режимов сушки являются режимы 3, 4 (высокая скорость движения излучателей) и режимы 7, 8 (низкая скорость движения излучателей). Как следует из таблицы 2, низкая скорость движения излучателей обеспечивает меньшие затраты энергии и время сушки.
На рисунках 6 и 7 представлены временные зависимости влажности и температуры сырья в ходе сушки для режимов 8 и 4 из таблицы 2 соответственно.
82
Ф,% £0
60
40
20
0
Рисунок 6. Временные зависимости влажности и температуры сырья в ходе сушки для режима 8
Ф.% 1,°С
80
60 40
20 0
Рисунок 7. Временные зависимости влажности и температуры сырья в ходе сушки для режима 4
Как следует из графиков на рис. 6 и рис. 7, режим 4, характерный высокой скоростью движения ИК излучателей, при увеличении времени сушки на 0,66 часа или 6 % и увеличении удельных затрат на испарение влаги на 0,128 кВт^ч/кг или 14,7 % обеспечивает высокое качество поддержания температуры сырья в ходе сушки. Режим 8, характерный низкой скоростью движения ИК излучателей, уже после 7 часов сушки приводит к нагреву сырья до 70 °С, а к концу сушки сырьё кратковременно нагревается до 78 °С, что может негативно отразиться на сохранности биологически активных веществ сырья.
Выводы. Наиболее эффективными режимами инфракрасной сушки при заданной величине температуры сырья в ходе сушки являются режимы, при которых температура вентилирующего устройство сушки воздуха и температура сырья в ходе сушки равны по величине. Это условие обеспечивается с одной стороны предварительным нагревом поступающего в устройство воздуха, а с другой стороны тепловой мощностью ИК излучателей, не приводя-
83
щей к дополнительному нагреву или охлаждению воздуха в объёме устройства сушки. Снизить затраты энергии на процесс сушки и длительность сушки позволяет снижение скорости вентилирующего объём устройства сушки воздуха. Обеспечить качественное исполнение заданного значения температуры сырья в ходе сушки позволяет высокая скорость перемещения инфракрасных излучателей над поверхностью сырья.
Для рассмотренных в статье условий сушки таким режимом является тепловая мощность ИК излучателя qизл = 10000 Вт/м2 площади лотка; температура воздуха в камере tk = 65 °С; скорость воздуха в камере Ук = 0,4 м/с; скорость движения излучателей Уп = 0,4 м/с. Расчётная величина удельных затрат энергии на испарение влаги для такого режима составила 0,999 кВт^ч/кг влаги.
Полученные режимные величины являются опорными для определения эффективных режимов сушки в многоярусном устройстве динамической инфракрасной сушки различных видов высоковлажного растительного сырья, насыщенного термолабильными биологически активными веществами.
Список использованных источников:
1. Завалий А.А. Разработка и тепловое моделирование устройств инфракрасной сушки термолабильных материалов / А.А. Завалий, Ю.Ф. Снежкин. Симферополь: Ариал, 2016. - 263 с.
2. Завалий А.А. Инфракрасная сушка растительного сырья // Сушка, хранение и переработка продукции растениеводства: Сборник научных трудов Международного научно-технического семинара, посвященного 175-летию со дня рождения К.А. Тимирязева (Москва, 22-23 мая 2018 г.). М.: Перо, 2018. - С. 92-98.
3. Завалий, А.А. Кинетика влагоу-даления и разрушения витамина С при инфракрасной сушке ягод и фруктов в многоярусном шкафном устройстве / А.А. Завалий, Л.А. Лаго, А.С. Рыбалко // Агроинженерия. -2020. - № 5(99). -С. 56-63.
4. Рудобашта С.П., Проничев С.А. Организация осциллирующего режима ИК-сушки зерна с помощью информационно-измерительной и управляющей
References:
1. Zavaliy A.A. Development and thermal modeling of devices for infrared drying of thermolabile materials [Text] / A.A. Zavaliy, Yu.F. Snezhkin. -Simferopol: IT "ARIAL", 2016. - 263 p.
2. Zavaliy A.A. Infrared drying of plant raw materials // Drying, storage and processing of plant growing products: Collection of scientific papers of the International scientific and technical seminar dedicated to the 175 th anniversary of the birth of K.A. Timiryazeva (Moscow, May 22-23, 2018). M .: Pen, 2018. - P. 92-98.
3. Zavaliy, A.A. Kinetics of dehumidification and destruction of vitamin C during infrared drying of berries and fruits in a multi-tiered cabinet unit. Zavaliy, L.A. Lago, A.S. Rybalko // Agroengineering. - 2020. - No. 5 (99). -P. 56-63.
4. Rudobashta S.P., Pronichev S.A. Organization of an oscillating mode of IR-drying of grain using an information-measuring and control system // Storage
84
системы // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2006. - № 8. - С. 72-75.
5. Григорьев И.В., Рудобашта С.П. Импульсная инфракрасная сушка семян овощных культур // Вестник ФГОУ ВПО «МГАУ имени В.П. Го-рячкина». - 2009. - № 4. - С. 7-10.
6. Зуев Н.А., Рудобашта С.П., Зотова Е.Ю., Зуева Г.А. Стимуляция семян путём импульсной инфракрасной сушки // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2012. - № 5. - С. 27-29.
7. 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.
8. 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.
9. Завалий А.А., Лаго Л.А., Рыбалко А.С. Имитационная полуэмпирическая модель процесса сушки растительного сырья при комбинированном конвективно-лучистом теплоподводе в условиях атмосферного и пониженного давления // Известия сельскохозяйственной науки Тавриды. - 2020. -№ 23 (186). - С. 130-140.
and processing of agricultural raw materials. - 2006. - No. 8. - P. 72-75.
5. Grigoriev I.V., Rudobashta S.P. Impulse infrared drying of vegetable seeds Goryachkina". - 2009. - No. 4. - P. 7-10.
6. Zuev N.A., Rudobashta S.P., Zotova E.Yu., Zueva G.A. Stimulation of seeds by pulse infrared drying // Storage and processing of agricultural raw materials. - 2012. - No. 5. - P. 27-29.
7. Rudobashta S.P., Grigoriev I.V. Pulse infrared drying of vegetable seeds, non-traditional and rare plants // Industrial heat engineering. - 2011. -Vol. 33. - No. 8. - P. 85-90.
8. 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.
9. Zavaliy A.A., Lago L.A., Rybalko A.S. A semi-empirical simulation model of the drying process of vegetable raw materials with a combined convective-radiant heat supply under atmospheric and low pressure conditions. News of agricultural science of Taurida. - 2020. -No. 23 (186). - P. 130-140.
Сведения об авторах:
Завалий Алексей Алексеевич -доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой общетехнических дисциплин Института «Агро-технологическая академия» ФГАОУ
Information about the authors:
Zavalii Alexey Alekseevich -Doctor of Technical Sciences, Associate Professor Head of the Department of General Technical Disciplines of the Institute "Agrotechnological academy" of
85
ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», email: zavalym@mail.ru, 295492, Россия, Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Институт «Агро-технологическая академия» ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И.Вернадского».
Ермолин Дмитрий Владимирович - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой виноделия и бродильных производств Агротехнологической академии ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», 295492, Россия, Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Институт «Агротехнологическая академия» ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского».
Сергеев Михаил Александрович - проректор ФГАОУВО «КФУ имени В.И. Вернадского», email: m-sergeev1@mail.ru, 295007, Россия, Республика Крым, г. Симферополь, проспект Академика Вернадского, 4, ФГАОУ ВО «КФУ имени В.И. Вернадского».
the FSAEI HE "V.I. Vemadsky Crimean Federal University", email: zavalym@ mail.ru, Institute "Agrotechnological academy" of the FSAEI HE "V.I. Vernadsky Crimean Federal University", Agrarnoye v., Simferopol, Republic of Crimea, 295492, Russia.
Ermolin Dmitriy 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", Institute "Agrotechnological academy" of the FSAEI HE "V.I. Vernadsky Crimean Federal University", Agrarnoye v., Simferopol, Republic of Crimea, 295492, Russia.
Sergeev Mikhail Aleksandrovich -Vice rector of the "V.I. Vernadsky Crimean Federal University", email: m-sergeev1@mail.ru, FSAEI HE "V.I. Vernadsky Crimean Federal University", Academician Vernadsky Avenue, Simferopol, Republic of Crimea, 295007, Russia.
86
