МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИКИ СУШКИ С АНАЛИЗОМ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЦЕССА

МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИКИ СУШКИ С АНАЛИЗОМ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЦЕССА

Научная статья

Зыков А.В.¹, Юнин В.А.^2, *, Захаров А.М.³, Перекопский А.Н.⁴

¹ ORCID: 0000-0002-3435-7468;

² ORCID: 0000-0002-8111-1727;

³ ORCID: 0000-0003-3501-0543;

⁴ ORCID: 0000-0003-0998-2306;

^{1, 2, 3,4} Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства - филиал ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия

* Корреспондирующий автор (vim_iaep[at]mail.ru)

Аннотация

Для определения наилучшего метода сушки была изучена кинетика сушки растительного стебельчатого сырья. Были рассмотрены два метода сушки: сушка горячим воздухом и с применением инфракрасного излучения. Для процесса сушки горячим воздухом были выбраны два управляемых фактора: температура в пределах от 30 до 50ºC и скорость воздуха от 0,5 до 1,5 м/с. При сушке инфракрасным источником тепла изменяли три фактора: интенсивность инфракрасного излучения в пределах от 1500 до 4500 Вт/м², расстояние между излучателем и растительной массой от 10 до 20 см и скорость воздуха от 0,5 до 1,5 м/с. Самый низкий эффективный коэффициент диффузии влаги (1,096·10¹¹ м²/с) достигается при сушке горячим воздухом при температуре 30ºC и скорости воздуха 0,5 м/с, тогда как максимальное значение (5,928·10¹¹м²/с) относится к инфракрасной сушке с интенсивностью инфракрасного излучения 4500 Вт/м², скоростью воздушного потока 0,5 м/с и расстоянием между стебельчатой массой и лампой 15 см.

Ключевые слова: кинетика сушки, коэффициент диффузии, влажность, температура, интенсивность ИК-излучения.

MODELING OF DRYING KINETICS WITH THE ANALYSIS OF PROCESS CHARACTERISTICS

Research article

Zykov A.V.¹, Yunín V.A.^2, *, Zakharov A.M.³, Perekopskiy A.N.⁴

¹ ORCID: 0000-0002-3435-7468;

² ORCID: 0000-0002-8111-1727;

³ ORCID: 0000-0003-3501-0543;

⁴ ORCID: 0000-0003-0998-2306;

^{1, 2, 3,4} Institute of Agricultural Engineering and Environmental Problems of Agricultural Production, the branch of the All-Union Research Institute of Agricultural Mechanization, Saint Petersburg, Russia

* Corresponding author (vim_iaep[at]mail.ru)

Abstract

To determine the best drying method, the kinetics of drying pediculated plan raw materials was studied. The study considered two methods of drying: drying with hot air and with the use of infrared radiation. Two controlled factors were selected for the hot air-drying process: a temperature between 30 and 50 ° C and an air velocity between 0.5 and 1.5 m/s. When drying with an infrared heat source, three factors were changed: the intensity of infrared radiation in the range from 1500 to 4500 W / m², the distance between the emitter and the plant mass from 10 to 20 cm, and the air velocity from 0.5 to 1.5 m/s. The lowest effective moisture diffusion coefficient (1.096·10¹¹ m²/s) is achieved when drying with hot air at a temperature of 30 ° C and an air velocity of 0.5 m / s, while the maximum value (5.928·10¹¹m²/s) refers to infrared drying with an IR intensity of 4500 W / m², an air flow rate of 0.5 m / s and a distance between the stalk mass and the lamp of 15 cm.

Keywords: drying kinetics, diffusion coefficient, humidity, temperature, intensity of the infrared radiation.

Введение

Процесс сушки растительного сырья в сельском хозяйстве помогает достичь двух целей: во-первых, он подавляет рост микроорганизмов, а во-вторых, улучшает хранение и транспортировку сельскохозяйственных продуктов. На процесс сушки приходится самое высокое потребление энергии в кормоприготовлении. Это происходит из-за больших потерь теплоты, необходимой для испарения воды, а также из-за теплофизических свойств сушильных материалов. Следовательно, разработка эффективных методов сушки имеет важное значение для использования и сохранения энергии. Стебли и листья растения можно обезвоживать различными способами. Технология сушки горячим воздухом широко применяется благодаря простоте реализации, невысоким инвестиционным и эксплуатационным затратам. Однако этот метод требует высоких затрат тепловой энергии и длительного времени сушки, что может привести к нежелательным изменениям готового продукта.

Технология сушки с применением инфракрасного источника излучения является практически альтернативным методом. В основном он принят из-за его адаптируемости, простоты оборудования, быстрого нагрева и высыхания, недорогой несложной установки и использования. Сушка с инфракрасным источником тепла широко применяется в качестве альтернативного метода сушки свежих сельскохозяйственных продуктов. При инфракрасной сушке электромагнитная энергия сталкивается c объектом сушки и проникает в него, где превращается в тепло. Чтобы интегрировать экспериментальные данные из исследований по сушке растений в промышленное применение, кинетику сушки следует моделировать математически. Математическая модель также может быть использована для оптимизации управления параметрами на практике и для прогнозирования производительности системы сушки.

Сушка включает в себя сложные термические процессы, в которых масса и тепло передаются одновременно, взаимосвязано и нестабильно как внутри, так и на поверхности образца. Соответственно, необходимо иметь полное представление о параметрах управления в этом процессе. В литературе процесс сушки описывается с помощью трех математических моделей: теоретической, полутеоретической и эмпирической [1], [2]. Понимание основных явлений и механизмов процесса сушки помогает разрабатывать различные теоретические модели. Как теоретические модели, так и компьютерное моделирование применяется в качестве средства для прогнозирования кривых сушки различных продуктов.

Теоретические расчеты и моделирование процесса способны объяснить явления, происходящие в процессе сушки. Эмпирические модели могут быть построены на основе прямой корреляции влажности со временем высыхания без учета принципов этого процесса. Соответственно, эмпирически разработанные модели могут предсказывать кривые сушки для реальных условий. Однако их параметры не имеют физического значения и не в состоянии точно объяснить важные явления процесса. В качестве компромисса между теорией и удобным приложением полутеоретические модели извлекаются из упрощенного второго закона диффузии Фика или получаются путем модификации любой упрощенной широко используемой модели [3].

Анализ литературы [4], [5] показал небольшое количество исследований по кинетике сушки и математическому моделированию измельченного растительного сырья.

Целью данной работы было изучить процесс сушки измельченного растительного сырья с помощью методов сушки горячим воздухом и инфракрасным излучением и найти лучшую модель сушки, объясняющую сушку измельченного растительного сырья горячим воздухом и инфракрасным излучением.

Материалы и методы

Свежее измельченное растительное сырье собирали и измельчали перед каждой серией экспериментов. Растительное сырье было отобрано на основании визуальной оценки их однородного состава, цвета и размера. Растительное сырье всегда собирали утром, после высыхания утренней росы. Перед доставкой в лабораторию растительное сырье хранили в пакетах. Исходная влажность образцов определялась сушкой трех 30-граммовых образцов свежих листьев в электроконвекционной печи при 105°C в течение 24 часов.

Исходная влажность составила 82,2 ± 0,2%. Перед каждым экспериментом большие, не измельченные растения удалялись из массы.

Для проведения исследований была разработана лабораторная установка, состоящая из сушильной камеры, блока управления воздушным потоком, температурой и источником излучения (инфракрасная лампа и электрический нагреватель). Сушильная камера была изготовлена из листового метала, внешняя поверхность которой была полностью изолирована для предотвращения потерь тепла окружающей среды дополнительным кожухом. Для регулировки температуры воздуха использовался блок управления мощностью нагревателя. Температура внутри сушильной камеры постоянно контролировалась термопарой, которая была встроена в элемент управления. Цифровой анемометр использовался для измерения скорости воздуха. На верхней стороне сушильной камеры устанавливалась инфракрасная лампа мощностью 250 Вт. Высота светильника регулировалась штативом. Интенсивность инфракрасного излучения регулировалась автотрансформатором.

Для экспериментов по сушке горячим воздухом были выбраны разные скорости воздушного потока на трех уровнях 0,5, 1 и 1,5 м/с и температуры на трех уровнях 30, 45 и 60°C. Кроме того, для инфракрасной сушки использовались различные уровни интенсивности излучения (1500, 3000 и 4500 Вт/м²), расстояние «лампа-образец» (10, 30 и 50 см) и скорость воздушного потока (0,5, 1,0 и 1,5 м/с). Значения температуры и скорости воздушного потока были выбраны на основе анализа литературы по промышленным применениям сушки воздуха, в частности, по сушке лекарственных растений в тонких слоях. Как показывает практика, для сушки растений следует использовать низкие температуры (т.е. 30–50°C), чтобы получить продукт оптимального качества, без потери белка и протеина. Перед каждым экспериментом сушилку оставляли бездействующей в течение примерно 30 минут для обеспечения устойчивого состояния на основе заранее определенных экспериментальных условий сушки. Для каждой обработки 200 ± 1 г растительного сырья равномерно распределяли тонким слоем на алюминиевой бюксе.

Сушку прекращали, как только образец по влажности достигал целевых 10-13%. Все процедуры сушки проводили в трех повторностях. Затем строили кривые сушки с использованием средних соотношений влажности в каждый момент времени.

Массовую долю влаги в процентах в испытуемой пробе вычислили по формуле:

     (1) где X- массовая доля влаги, %; m₁- масса бюксы без испытуемой пробы, г; m₂- масса бюксы с испытуемой пробой до сушки, г; m₃- масса бюксы с испытуемой пробой после сушки, г. Затраченная энергия на испарение влаги была рассчитана Энергия, затраченная на испарение, была рассчитана с помощью уравнения Аррениуса [6], [7]:        (2) где -предэкспоненциальный коэффициент уравнения Аррениуса, Ea-энергия испарения (кДж/моль), R-идеальная газовая постоянная (8,314 Дж/кмоль), T - температура сушки.

Результаты и обсуждение

Время, необходимое для сушки измельченного растительного сырья подробно изложено в наших предыдущих работах [8,] [9]. Графики экспериментальных данных по сушке горячим воздухом измельченного растительного сырья при различных температурах (30, 40 и 50°C) и скоростях воздушного потока (0,5, 1,0 и 1,5 м/с) были проанализированы с точки зрения уменьшения коэффициента влажности в зависимости от времени сушки. Это связано с тем, что кривые влажности лучше объясняют поведение продуктов при сушке, чем кривые конечной влажности, поскольку исходная влажность для всех экспериментов была сравнена к 82,2%. Форма кривых сушки горячим воздухом для растений аналогична, как и для других пищевых материалов.

Результаты исследовании показали, что температура оказывает наиболее значительное влияние на кинетику сушки образцов. Скорость воздушного потока оказала второе по значимости влияние. Как показано на рисунке 1, кривые сушки становились круче с увеличением скорости потока воздуха. Более высокие скорости воздуха привели к более быстрой сушке за счет улучшения конвективных коэффициентов тепломассопереноса между образцом и окружающим воздухом.

Рис. 1 – Изменение соотношения влажности в зависимости от времени для сушки горячим воздухом

измельченного растительного сырья

 

Кривые инфракрасной сушки измельченной растительной массы, высушенных при различных настройках, представлены на рисунке 2. Во время сушки скорость удаления влаги снижается и запускается период падения скорости. Период с постоянной скоростью удаления влаги во всех условиях эксперимента отсутствовал. Снижение влажности следовало экспоненциальной тенденции во время сушки для всех опытов.

 

Рис. 2 – Зависимость влажности от времени во время сушки инфракрасным излучением при различной интенсивности ИК-излучения, скоростях воздуха и расстоянии «излучатель-образец» 15 см

Влияние уровня инфракрасного излучения на влажность образцов было значительным, как и предполагалось (рисунок 2). Как при постоянной скорости воздушного потока, так и при изменении расстоянии между излучателем и образцом влажность уменьшается быстрее при повышении уровня инфракрасного излучения. Этот результат согласуется с данными, опубликованными ранее [9]. Результаты инфракрасной сушки показали, что, в отличие от сушки горячим воздухом, влажность снижается быстрее с уменьшением скорости воздушного потока при одинаковой интенсивности инфракрасного излучения и расстоянии между излучателем и образцом. Увеличение скорости воздушного потока усилило охлаждающий эффект, который снизил температуру продукта.

При одинаковой интенсивности инфракрасного излучения и скорости воздушного потока уменьшение влагоотдачи ускоряется, когда инфракрасный излучатель помещается ближе к образцу. При увеличении расстояния между образцом и излучателем тепловое излучение попадает на поверхность образца, но не проникает эффективно внутрь. Поэтому поглощенная энергия влаги внутри листьев образца резко уменьшается. Соответственно, степень удаления влаги уменьшалась за счет увеличения расстояния между инфракрасным излучателем и образцом. Т.е. расстояние оказало существенное влияние на испарение влаги из образцов.

На рисунке 3 представлены значения диффузии влаги при разных температурах и скоростях воздушного потока. Ожидается, что значения диффузии влаги увеличиваются при повышении температуры сушки. Это было связано с увеличением давления паров образцов, что ускоряло влагообмен при более высоких температурах. При сушке растений при более высокой температуре энергия нагрева увеличивается, что приводит к увеличению активности молекул воды. В результате могут быть получены более высокие значения диффузии влаги.

Использование более высоких скоростей воздушного потока при всех температурах сушки приводит к более высоким значениям диффузии влаги. Это может быть связано с более низким давлением пара в результате более высокой скорости воздушного потока, что, в свою очередь, снижает сопротивление испарению.

Рис. 3 – Взаимодействие между скоростью воздуха и температурой на эффективный коэффициент диффузии при сушке горячим воздухом измельченного растительного сырья

 

Наименьшее значение диффузии влаги наблюдалось при скорости воздушного потока 0,5 м/с при 30°C, в то время как его наибольшее значение было зарегистрировано при использовании осушающего воздуха 50°C со скоростью 1,5 м/с. Эти результаты показали, что более высокая температура и скорость воздуха предпочтительны для сушки измельченного растительного сырья при использовании сушки горячим воздухом в заданных экспериментальных условиях. Влияние температуры воздуха на диффузию влаги измельченного растительного сырья было больше, чем скорость воздушного потока.

     (3)

Расчетные значения испарения влаги для измельченного растительного сырья при инфракрасной сушке показаны на рисунке 4. Из рисунка видно, что диффузия влаги увеличивается, когда интенсивность инфракрасного излучения увеличивается при постоянной скорости воздушного потока и постоянном расстоянии между излучателем и образцом. Это может быть вызвано повышенными уровнями интенсивности инфракрасного излучения, которые быстро повышают температуру образца. В результате давление пара также увеличилось, что привело к более быстрой сушке.

Рис. 4 – Вариации эффективного коэффициента диффузии в зависимости от интенсивности инфракрасного излучения, скорости воздуха и расстояния образец - лампа 15 см

 

Исследования на измельченной капусте также показали аналогичные эффекты инфракрасного излучения на диффузии влаги. Увеличение скорости воздушного потока при постоянной интенсивности инфракрасного излучения и расстоянии между излучателем и образцом уменьшает диффузию влаги. Это связано с тем, что более быстрый воздушный поток охлаждает поверхность образца, в то время как внутренняя температура образца остается относительно выше, чем температура поверхности и окружающего воздуха. Это приводит к отрицательному температурному градиенту. Для сушки с ИК-источником тепла наименьшее значение диффузии влаги было при скорости потока воздуха 1,5 м/с, интенсивности излучения 1500 Вт/м² и расстоянии между излучателем и образцом 20 см, тогда как наибольшее значение диффузии влаги было зарегистрировано при скорости воздуха 0,5 м/с.

Значения диффузии влаги из этого исследования находились в пределах от 10,1 до 10,8 м²/с для сушки растительных материалов. Соответственно, наибольшие значения диффузии влаги принадлежали экспериментам с инфракрасной сушкой. В основном это связано с тем, что сушка в инфракрасной сушилке выполняется за гораздо более короткое время, чем в системе сушки горячим воздухом. Таким образом, метод сушки с помощью инфракрасного излучения оказался более эффективным при сушке измельченного растительного сырья, чем сушка горячим воздухом.

Выводы

Кинетика сушки измельченного растительного сырья при двух методах сушки: горячим воздухом и инфракрасным излучением была проанализирована и смоделирована. В обоих методах сушки удаление влаги наблюдалось в период уменьшения скорости, а не во время периода постоянной скорости. Эффективность инфракрасной сушки была выше, чем у сушки горячим воздухом, благодаря более высокой скорости сушки. Чтобы получить более глубокое представление о механизме массопереноса измельченного растительного сырья во время процесса сушки, также была определена эффективная диффузия влаги. Было обнаружено, что значения диффузии влаги варьировались от 1,096 10^-11 до 2,486 10 10^-11 м²/с и от 3,312 10^-11 до 5,928 10^-11 м²/с для сушки горячим воздухом и инфракрасной сушкой соответственно. При сушке горячим воздухом значение диффузии влаги было больше при более высоких температурах и более высоких скоростях воздушного потока. Однако при инфракрасной сушке увеличение интенсивности инфракрасного излучения и уменьшение скорости воздушного потока и расстояния «образец-лампа» приводили к более высоким значениям.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Сухопаров А.И. Модели процесса изменения влажности в провяливаемой траве в зависимости от периодичности ворошения. //Сухопаров А. И., Ерёмин М. А., Ерохин И. В./Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2015. № 86. С. 89-95.
2. Попов В.Д. Информационная и структурная модели управления технологиями в растениеводстве / В.Д. Попов, А.И. Сухопаров //Вестник РАСХН, 2010, № 3. -С. 7-8.
3. Fan K Characterization of thin layer hot air drying of sweet potatoes (Ipomoea batatas L.) slices / Fan K, Chen L, He J, Yan F. // J Food Process Preserv 2015;39(6):1361–71
4. Попов В.Д. Основы управления технологиями низкотемпературной сушки растительной стебельчатой массы: монография / В.Д. Попов, М.Ш. Ахмедов, А.И. Сухопаров, Н.Н. Кузнецов, А.В. Зыков. -Санкт-Петербург: ИАЭП, 2017. -142 с.
5. Кузнецов Н.Н. Повышение эффективности заготовки прессованного в рулоны сена путем оптимизации параметров процесса сушки и режимов работы оборудования / Н.Н. Кузнецов: автореф. дис. канд. техн. наук. СПб., 2007. 18 с.
6. Akpinar E.K. Single layer drying behaviour of potato slices in a convective cyclone dryer and mathematical modeling / Akpinar EK, Midilli A, Bicer Y. // Energy Convers Manage 2003;44:1689–705.
7. Lopez A. Thin-layer drying behaviour of vegetable waste from wholesale market / Lopez A, Iguaz A, Esnoz A, Virseda P. // Dry Technol 2000;18:995–1006
8. Кузнецов Н.Н. Исследование процесса удаления влаги при приготовлении кормов из трав / Н.Н. Кузнецов // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. 2019. № 3 (55). С. 380-388
9. Юнин В.А Процесс сушки измельченного растительного материала в барабанной сушилке / В.А. Юнин., А.М. Захаров., Н.Н. Кузнецов., А.В. Зыков // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. 2020. № 1 (57). С. 335-349.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Suxoparov A.I Modeli processa izmeneniya vlazhnosti v provyalivaemoj trave v zavisimosti ot periodichnosti vorosheniya. [ Models of the process of changing the humidity in the dried grass depending on the frequency of tilling] //Suxoparov A. I., Eryomin M. A., Eroxin I. V./Texnologii i texnicheskie sredstva mexanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2015. № 86. P. 89-95. [in Russian]
2. Popov V.D. Informacionnaya i strukturnaya modeli upravleniya texnologiyami v rastenievodstve [Information and structural models of technology management in crop production] / V.D. Popov, A.I. Suxoparov //Vestnik RASXN, 2010, № 3. P. 7-8. [in Russian]
3. Fan K Characterization of thin layer hot air drying of sweet potatoes (Ipomoea batatas L.) slices / Fan K, Chen L, He J, Yan F. // J Food Process Preserv 2015;39(6):1361–71
4. Popov V.D. Osnovy` upravleniya texnologiyami nizkotemperaturnoj sushki rastitel`noj stebel`chatoj massy [Fundamentals of technology management for low-temperature drying of plant stalks: monograph] / V.D. Popov, M.Sh. Axmedov, A.I. Suxoparov, N.N. Kuzneczov, A.V. Zy`kov. -Sankt-Peterburg: IAE`P, 2017. -142 p. [in Russian]
5. Kuzneczov N.N. Povy`shenie e`ffektivnosti zagotovki pressovannogo v rulony` sena putem optimizacii parametrov processa sushki i rezhimov raboty` oborudovaniya [Improving the efficiency of harvesting hay pressed into rolls by optimizing the parameters of the drying process and operating modes of equipment] / N.N. Kuzneczov. SPb., 2007. 18 p. [in Russian]
6. Akpinar E.K. Single layer drying behaviour of potato slices in a convective cyclone dryer and mathematical modeling / Akpinar EK, Midilli A, Bicer Y. // Energy Convers Manage 2003;44:1689–705.
7. Lopez A. Thin-layer drying behaviour of vegetable waste from wholesale market / Lopez A, Iguaz A, Esnoz A, Virseda P. // Dry Technol 2000;18:995–1006
8. Kuzneczov N.N. Issledovanie processa udaleniya vlagi pri prigotovlenii kormov iz trav [Investigation of the process of removing moisture in the preparation of feed from herbs] / N.N. Kuzneczov // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: Nauka i vy`sshee professional`noe obrazovanie. 2019. № 3 (55). P. 380-388 [in Russian]
9. Yunin V.A Process sushki izmel`chennogo rastitel`nogo materiala v barabannoj sushilke [Process of drying crushed plant material in a drum dryer] / V.A. Yunin., A.M. Zaxarov., N.N. Kuzneczov., A.V. Zy`kov // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: Nauka i vy`sshee professional`noe obrazovanie. 2020. № 1 (57). P. 335-349. [in Russian]