CC BY
0АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 664.8.039.51:53.09
РАСЧЁТНЫЙ АНАЛИЗ ПОЛЯ
ТЕМПЕРАТУРЫ В СЛОЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО СЫРЬЯ В ПРОЦЕССЕ
ИНФРАКРАСНОЙ СУШКИ
Завалий А. А., доктор технических наук, доцент;
Лаго Л. А., кандидат технических наук, доцент, институт «Агротехно-логическая академия» ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет им. В. И. Вернадского».
С использованием имитационной модели нагрева слоя сельскохозяйственного сырья в процессе инфракрасной сушки определены режимы импульсного теплового воздействия на поверхность сырья инфракрасным излучением, обеспечивающие преимущественное наличие отрицательного градиента температуры в слое сырья в ходе сушки. Такие режимы способствуют интенсификации процесса сушки, благодаря термодиффузии влаги из серединных слоёв сырья к его поверхности.
Ключевые слова: импульсная инфракрасная сушка, имитационная модель, сельскохозяйственное сырьё.
COMPUTATIONAL ANALYSIS OF THE TEMPERATURE FIELD IN A LAYER OF AGRICULTURAL RAW MATERIALS DURING INFRARED DRYING
Zavaliy A. A., Doctor of technical Sciences, Associate Professor; Lago L. A., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor; Institute «Agrotechnological Academy» FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University».
Annotation. Using a simulation model of heating a layer of agricultural raw materials in the infrared drying process, the modes of pulsed thermal action on the surface of raw materials by infrared radiation are determined, ensuring the predominant presence of a negative temperature gradient in the raw material layer during drying. Such modes contribute to the intensification of the drying process, due to the thermal diffusion of moisture from the middle layers of the raw material to its surface.
Keywords: pulsed infrared drying, simulation model, agricultural raw materials.
Введение. В разрабатываемых нами компактных многоярусных шкафных устройствах инфракрасной сушки высоковлажного сельскохозяйственного сырья [1, 2, 3] слой сырья, размещённого на сетчатых лотках устройства, подвергается двустороннему импульсному тепловому воздействию инфракрасного излучения. Источниками теплового излучения служат высокотемпературные
126
линейные галогеновые лампы накаливания (температура спирали составляет от 2400 °С до 2500 °С) или размещённые в трубках кварцевого стекла нихромо-вые или фехралевые спиральные низкотемпературные нагревательные элементы (температура спирали находится в пределах 650 - 750 °С). В устройствах, использующих низкотемпературные нагревательные элементы, последние перемещаются над и под поверхностями сырья на тележке, осуществляющей возвратно-поступательное движение вдоль лотков с сырьём.
Известно, что импульсное тепловое воздействие инфракрасного излучения на поверхность сырья является фактором интенсификации процесса сушки [4, 5, 6, 7]. Реализовать импульсное тепловое воздействие в разрабатываемых нами устройствах позволяет релейное управление электрическим питанием линейных галогеновых ламп накаливания. Такое управление обеспечивает постоянство температуры сырья в ходе сушки, для чего измерительный преобразователь системы регулирования размещают в теле подвергаемого сушке сырья. Импульсы теплового воздействия реализуются, благодаря малой инерционности источников излучения, составляющей доли секунды. В устройствах с инерционными спиральными источниками инфракрасного излучения импульсы реализуются как релейным регулированием, так и движением источника излучения над поверхностью сырья.
На рисунке 1 представлен фрагмент термограммы сушки ягод малины в устройстве с галогеновыми лампами накаливания при заданных значениях температуры сырья 52 °С и гистерезисе регулирования ±1 °С [8].
55 50
45
40
20 30 40 г, мин
1 - температура сырья, 2 - импульсы включения ламп накаливания Рисунок. 1 Термограмма сушки ягод малины
На рисунке 2 приведен фрагмент термограммы сушки нарезанных ломтиками яблок в устройстве с подвижными спиральными нагревательными элементами при заданных значениях температуры сырья 50 °С и гистерезисе регулирования ±0,5 °С [9]. На рис. 1 и рис. 2 изображены импульсы теплового действия на сырьё (поз. 2), обеспечивающие «пилообразное» изменение температуры сырья (поз. 1).
127
1°С 51
50
49 48
167 168 169 т, мин
1 - температура сырья; 2 - тепловые импульсы движения источников излучения Рисунок 2 - Фрагмент термограммы сушки долек яблок
Механизмом интенсификации процесса влагоудаления из сырья является термодиффузия, способствующая удалению влаги из слоя сырья при наличии в нём отрицательного градиента температуры по толщине слоя, то есть, когда температура внутри сырья выше температуры поверхности сырья.
Целью настоящего исследования является определение режимов импульсного теплового воздействия на поверхность сырья инфракрасным излучением, обеспечивающих преимущественное наличие отрицательного градиента температуры в слое сырья в ходе сушки.
Материалы и методы исследования. Существенным для реализации отрицательного градиента температуры в слое сырья является эффект проницаемости сырья для инфракрасного излучения, обеспечивающий поглощение тепловой энергии инфракрасного излучения слоем сырья некоторой толщины. Это явление эквивалентно тепловому состоянию слоя сырья, внутри которого распределены источники энергии различной мощности.
Для выполнения расчётного анализа поля температуры в слое сельскохозяйственного сырья в процессе инфракрасной сушки использована разработанная нами вычислительная полуэмпирическая имитационная модель нагрева слоя влажного сырья под воздействием инфракрасного излучения в ходе сушки [9]. В модели используется уравнение нестационарной теплопроводности для одномерного случая и эмпирические зависимости убыли влаги от времени, полученные при импульсной инфракрасной сушке высоковлажного сельскохозяйственного сырья (яблоки, малина, слива, свёкла, морковь).
Имитационная модель модифицирована для возможности учёта проницаемости сырья инфракрасным излучением включением в уравнение теплового баланса слоя сырья внутренних источников энергии заданной мощности. В качестве зависимости, описывающей проницаемость сельскохозяйственного сырья для инфракрасного излучения, использована экспоненциальная зависимость
1 г
[\ А д А V \
V \ у \1 V
V 1 г V2 " 1 1 1 г 1
128
проницаемости от глубины слоя сырья в соответствии с законом Бугера [10]:
Е(х)=Е<0)ехр(-Ьх), (1)
где Е(х) - поток теплового излучения, проникающий на глубину х; Ео - падающий на поверхность поток теплового излучения; k - показатель затухания проницаемости.
Е(х)=Е(1)ехр(-Ъх), (2)
где х - толщина слоя сырья в мм.
Для имитации процесса инфракрасной сушки использованы коэффициенты уравнения (2) Е(1) = 0,3; k = 3,343 1/мм и Е(1) = 0,4; k = 2,5 1/мм.
Моделированию подлежал процесс следующих вариантов импульсной инфракрасной сушки сырья: 1) импульсы инфракрасного излучения задаются только регулятором температуры; 2) на импульсы, задаваемые регулятором температуры, накладываются синусоидальные колебания потока теплового излучения от нулевого до максимального значений; 3) на импульсы, задаваемые регулятором температуры, накладываются ступенчатые импульсы потока теплового излучения от нулевого до максимального значений.
Для всех вариантов рассматривались случаи, когда поток теплового излучения воздействовал только на поверхность сырья и когда поток теплового излучения проникал во внутренние слои сырья в соответствии с выражением (2).
Исходными данными для моделирования приняты диапазоны параметров на основании имеющегося у нас опыта инфракрасной сушки в шкафных устройствах (см. таблицу 1).
Таблица 1. Исходные данные моделирования
№ Наименование Размерность Значение
1 Начальная температура сырья °С 20
1 Температура сырья °С 40 - 65
2 Гистерезис температуры сырья °С 1
3 Поток теплового излучения Вт/м2 600 - 2000
4 Температура воздуха °С 20 - 50
5 Коэффициент теплоотдачи Вт/(м2^К) 10 50
6 Плотность сырья (вода) кг/м3 1000
7 Толщина слоя сырья мм 10
8 Расчётный шаг по толщине мм 0,5
9 Расчётный шаг по времени с 1
10 Время наблюдения ч 12
Для моделирования гармонических колебаний величины потока теплового излучения использован диапазон частот от 0,025 до 0,25 1/с. Для моделирования ступенчатых импульсов величины потока теплового излучения использована частота 0,1 1/с при скважности импульсов 50%.
Результаты исследования. На рис. 3 приведены графики изменения температуры поверхности сырья (тонкая линия) и серединного слоя сырья (толстая линия) в ходе сушки для случая, когда поток теплового излучения воздействует только на поверхность слоя сырья. Кривые с номерами 1, 2 и 3 соответствуют указанным выше вариантам моделирования импульсной инфракрасной сушки.
Т,°С[
70
60 50 40 30 20
2л~
1 (к
рг 3
о 500 юоо 1500 2000 2500 зооо время, С Рисунок 3. Изменение температуры серединного слоя и поверхности сырья в ходе сушки
На рисунке 4 приведены графики изменения температур в интервале от 4000 до 5000 с, на которых отчётливо видны периоды, когда температура поверхности сырья выше температуры его серединного сечения, что соответствует положительному градиенту температуры в слое сырья, и когда температура поверхности сырья ниже температуры его серединного сечения, что соответствует отрицательному градиенту температуры в слое сырья.
Т,°С
65 60 65 60 65 60
АчЛ Мх шк
А
/Я \4 /
и X
4200 4400 4600 время, С
Рисунок 4. Периоды положительного и отрицательного градиентов в слое сырья в ходе сушки
130
Для приведенных на рис. 3 и 4 данных величина А/Б составила 1,001 для варианта 1; 0,997 для варианта 2 и 1,09 для варианта 3. Таким образом, наличие пульсаций потока теплового излучения для случая, когда излучение не проникает вглубь сырья, создаёт условия равенства действия положительного и отрицательного градиентов температуры в слое сырья. При этом следует отметить, что наличие гармонических и ступенчатых изменений величины потока теплового излучения существенно увеличивает продолжительность циклов работы регулятора, соответственно увеличивается и продолжительность процесса сушки в целом. Наличие гармонических и ступенчатых изменений величины потока теплового излучения приводит также к увеличению пиковых значений температуры поверхности, что может приводить к перегреву поверхностных слоёв сырья.
На рис. 5 приведены графики изменения температуры поверхности сырья (тонкая линия) и серединного слоя сырья (толстая линия) в ходе сушки для случая, когда поток теплового излучения проникает вглубь слоя сырья в соответствии с уравнением (2). Кривые с номерами 1, 2 и 3, как и для рис. 3, соответствуют вариантам моделирования импульсной инфракрасной сушки.
На рисунке 6 приведены графики изменения температур в интервале от 4000 до 5000 с, демонстрирующие периоды положительного и отрицательного градиентов температуры в слое сырья.
Для приведенных на рис. 5 и 6 данных величина А/Б составила 0,215 для варианта 1; 0,416 для варианта 2 и 0 для варианта 3. Таким образом, наличие пульсаций потока теплового излучения для случая, когда излучение проникает вглубь сырья, обеспечивает существенное преобладание периодов отрицательного градиента температуры по отношению к периодам положительного градиента. Для случая ступенчатых пульсаций потока теплового излучения в ходе всего процесса сушки наблюдается только режим отрицательного градиента температуры Т,°С
60 50 40 30 20
Рисунок 5. Изменение температуры серединного слоя и поверхности сырья в ходе сушки
в слое сырья.
ГЛ ,
3
О 500 1000 1500 2000 2500 3000 время, С
131
Рисунок 6. Периоды положительного и отрицательного градиентов в слое сырья в ходе сушки
Как следует из рис. 6, проницаемость сырья для инфракрасного излучения существенно снижает разницу между пиками температуры поверхности и серединного слоя сырья, что предотвращает возможный перегрев поверхности сырья в ходе сушки, а также позволяет корректно контролировать температуру сырья при размещении измерительного преобразователя на любой глубине слоя сырья.
Наименее эффективным вариантом импульсной инфракрасной сушки сырья является 2-й вариант, когда на импульсы, задаваемые регулятором температуры, накладываются синусоидальные колебания потока теплового излучения от нулевого до максимального значений. Использование ступенчатых импульсов потока теплового излучения существенно (почти в 2 раза) увеличивает продолжительность цикла работы релейного регулятора, что влечёт за собой увеличение продолжительности процесса сушки.
Выводы. 1. Проницаемость сельскохозяйственного сырья для инфракрасного излучения оказывает существенное положительное влияния на процесс влагоудаления из сырья в части реализации в слое сырья отрицательного градиента температуры.
2. Эффективными для создания отрицательного градиента температуры в слое сырья являются импульсный режим релейного регулирования температуры сырья и режим, когда на импульсы, задаваемые регулятором температуры, накладываются ступенчатые импульсы потока теплового излучения от нулевого до максимального значений.
Список использованных источников:
1. Завалий, А.А. Разработка и тепловое моделирование устройств инфракрасной сушки термолабильных
References:
1. Zavaliy, A.A. Development and thermal modeling of infrared drying devices for thermolabile materials
132
материалов / А.А.Завалий, Ю.Ф. Снеж-кин. - Симферополь: ИТ «АРИАЛ», 2016. - 264 с.
2. 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-исследовательский институт сельского хозяйства». - Заявл. 20.03.2019 ; опубл. 11.11.2019, Бюл. № 32. - 11 с. : ил.
3. Пат. 208880 Российская Федерация, МПК51 F26 В9/00 (2006.01). Устройство для сушки сельскохозяйственной продукции / Сергеев М.А., Завалий А. А., Рутенко В. С., Воложа-нинов С. С., Ермолин Д. В., Воложа-нинова В. В.; заявитель и патентообладатель Ермолин Д.В. - № 2021125494; заявл. 27.08.2021; опубл. 19.01.2022, Бюл. № 2.
4. Рудобашта, С.П. Тепломассопе-ренос при сушке цилиндрического тела в осциллирующем электромагнитном поле / С.П. Рудобашта, Г.А. Зуева, Э.М. Карташов // ИФЖ. - 2018. - Т. 91. -№ 1. - С. 241-251.
5. Григорьев И.В., Рудобашта С.П. Импульсная инфракрасная сушка семян овощных культур // Вестник ФГОУ ВПО «МГАУ имени В.П. Горячкина». 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., Из-басаров Д.С. Энергосбережение и ин-
/ A.A.Zavaliy, Yu.F. Snezhkin. -Simferopol: IT "ARIAL", 2016. - 264 p.
2. 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 Research Institute of Agriculture". - Application. 20.03.2019 ; publ. 11.11.2019, Bul. No. 32. - 11 p. : ill.
3. Pat. 208880 Russian Federation, IPC51 F26 B9/00 (2006.01). Device for drying agricultural products / Sergeev M.A., Zavaliy A. A., Rutenko V. S., Volozhaninov S. S., Ermolin D. V., Volozhaninova V. V.; applicant and patent holder Ermolin D.V. - No. 2021125494; application 27.08.2021; publ. 19.01.2022, Byul. No. 2.
4. Rudobashta, S.P. Heat and mass transfer during drying of a cylindrical body in an oscillating electromagnetic field / S.P. Rudobashta, G.A. Zueva, E.M. Kartashov // IFZH. - 2018. - Vol. 91. -No. 1. - pp. 241-251.
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. pp. 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. pp. 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. pp. 90-94.
133
тенсификация процесса сушки импульсным ИК-облучением // Промышленная теплотехника. 2001. № 4-5. С. 90-94.
8. Завалий, А.А. Анализ термограмм импульсной инфракрасной сушки растительного сырья [Текст] / А. А. Завалий, Л. А. Лаго, А.С. Рыбалко // Агроинженерия. —2020. — № 3(97). — С.55-59.
9. Сергеев М.А. Обоснование параметров и режимов инфракрасной сушки высоковлажного сельскохозяйственного сырья с высокой концентрацией фенольных веществ: диссертация ... кандидата технических наук: 05.20.01 / Сергеев Михаил Александрович: Ростов-на-Дону, 2022. 188 с.
10. Чирцов А.С., Баранов К.Н., Богданов Б.В., Тучин В.С., Цветков А.Р., Шумигай В.С., Физическая оптика -СПб: Университет ИТМО, 2022. - 207 с.
8. Zavaliy, A.A. Analysis of thermograms of pulsed infrared drying of plant raw materials [Text] / A. A. Zavaliy, L. A. Lago, A.S. Rybalko // Agroengineering. -2020. — № 3(97). — Pp.55-59.
9. Sergeev M.A. Substantiation of parameters and modes of infrared drying of high-moisture agricultural raw materials with a high concentration of phenolic substances: dissertation... Candidate of Technical Sciences: 05.20.01 / Sergeyev Mikhail Alexandrovich: Rostov-on-Don, 2022.188 p.
10. Chirtsov A.S., Baranov K.N., Bogdanov B.V., Tuchin V.S., Tsvetkov A.R., Shumigai V.S., Physical optics - St. Petersburg: ITMO University, 2022. -207 .
Сведения об авторах:
Завалий Алексей Алексеевич -доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой общетехнических дисциплин института «Агро-технологическая академия» ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail: zavalym@mail.ru, 295492, Россия, Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Институт «Агро-технологическая академия» ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского».
Лаго Людмила Анатольевна -кандидат технических наук, доцент кафедры общетехнических дисциплин института «Агротехнологиче-ская академия» ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», e-mail:
Information about the authors:
Zavaliy Alexey Alekseevich -Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of General Technical Disciplines of the Institute "Agrotechnological Academy" of the Federal State Educational Institution "V. I. Vernadsky KFU", e-mail: zavalym@mail.ru , Institute «Agrotechnological academy» of the FSAEI HE «V.I. Vernadsky Crimean Federal University», Agrarnoye v., Simferopol, Republic of Crimea, 295492, Russia.
Lyudmila Anatolyevna Lago - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of General Technical Disciplines of the
134
Luda_Lago@mail.ru, 295492, Россия, Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Институт «Агротехнологи-ческая академия» ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского».
Institute "Agrotechnological Academy" of the Federal State Educational Institution "V. I. Vernadsky KFU", e-mail: Luda_Lago@mail.ru , Institute «Agrotechnological academy» of the FSAEI HE «V.I. Vernadsky Crimean Federal University», Agrarnoye v., Simferopol, Republic of Crimea, 295492, Russia.
135
