ASPECTS OF INFRARED DRYER DESIGN

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА СУШИЛЬНЫХ ИНФРАКРАСНЫХ УСТАНОВОК

Научная статья

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

¹ ORCID: 0000-0002-3435-7468;

² ORCID: 0000-0002-8111-1727;

³ ORCID: 0000-0003-3501-0543;

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

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

Аннотация

В последнее время для получения сбалансированных кормов предпринимаются попытки восстановления технологий высокотемпературной сушки травы. С этой задачей справляются сушильные камеры с инфракрасным обогревом. Главным достоинством процесса сушки продуктов инфракрасными лучами является более высокая скорость удаления влаги в сравнении с конвективной или кондуктивной (контактной) сушкой. В отличии от других методов консервации инфракрасная сушка позволяет получить конечный продукт, сохраняющий все биологически ценные свойства и практически все витаминные элементы. Затраты на процесс сушки в инфракрасной сушилке до 20% ниже, чем в устройствах конвейерного типа и составляют 0,9-1,4 кВт/час на 1 кг испаренной влаги. Общая цель работы – разработка и совершенствование прогрессивных технологических процессов и экспериментальных технических средств для интенсификации сушки растительных материалов в барабанной сушильной установке, позволяющей значительно ускорить темпы заготовки высококачественных кормовых добавок, улучшить его качество и сократить энерго- и металлоемкость процесса сушки. Научная новизна работы заключается в разработке обобщенного расчета для сушильных установок с инфракрасным источником тепла.

Ключевые слова: сушка, влажность, температура, интенсивность сушки, ИК-излучение.

ASPECTS OF INFRARED DRYER DESIGN

Research article

Zykov A.V.¹, Yunin V.A.^2, *, Zakharov A.M.³

¹ ORCID: 0000-0002-3435-7468;

² ORCID: 0000-0002-8111-1727;

³ ORCID: 0000-0003-3501-0543;

^{1, 2, 3} Institute of Agroengineering and Environmental Problems of Agricultural Production, the Branch of Federal Research Center of Agriculture All-Union Research Institute of Agricultural Mechanization, Saint-Petersburg, Russia

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

Abstract

Recently, attempts have been made to restore the technologies for high-temperature drying of grass with the goal of obtaining balanced feeds. Infrared drying chambers are fit to accomplish this task. The main advantage of the process of drying products with infrared rays is a higher rate of moisture removal in comparison with convective or conductive (contact) drying. Unlike other methods of preservation, infrared drying allows obtaining a final product that retains all the biologically valuable properties and almost all the vitamin elements. The cost of the drying process with an infrared dryer is up to 20% lower than in conveyor-type devices and amounts to 0.9-1.4 kW / h per 1 kg of evaporated moisture. The overall aim of the study is to develop and improve advanced technological processes and experimental technical means for intensifying the drying of plant materials in a cylinder drier, which allows for a significantly accelerated pace of producing high-quality feed additives, improve its quality and reduce the energy and metal consumption of the drying process. The scientific novelty of the work lies in the development of a generalized calculation for drying plants with an infrared heat source.

Keywords: drying, humidity, temperature, drying intensity, IR radiation.

Введение

На основе анализа базовых технологий консервации кормов, выявлено, что наибольшие потери питательных веществ и витаминных ингредиентов происходят при сушке. В тоже время сухие грубые корма являются физиологически необходимыми для жвачных животных. При производстве сена потери питательных веществ составляют от 30 до 50%, в зависимости от способа заготовки и погодных условий [1].

В 1980-1990 годах нашла применение высокотемпературная сушка травы с целью получения высококачественного витаминного корма в виде травяной муки, гранул, брикетов. Из-за высоких энергозатрат и загрязнений готового корма продуктами горения топлива данные технологии последнее время не используются, но в ряде хозяйств Ленинградской области для получения сбалансированных кормов для высокопродуктивного стада предпринимаются попытки восстановления технологий высокотемпературной сушки травы для получения витаминных травяных добавок. Предлагаемая нами технология приготовления витаминных добавок на основе инфракрасной сушки трав обеспечит получение экологически чистого корма с меньшими удельными затратами на сушку.

Имеется опыт применения инфракрасной сушки пищевых продуктов, с сохранением полезных веществ и витаминов [4], [5]. С этой задачей справляются сушильные камеры с инфракрасным обогревом. Температура в них не превышает 40…60 градусов, сохраняя тем самым полезные вещества.

Главным достоинством процесса сушки продуктов инфракрасными лучами является более высокая скорость удаления влаги в сравнении с конвективной или кондуктивной (контактной) сушкой [2]. Такое преимущество обеспечивается действием потока излучаемой тепловой энергии, которая проникает на некоторую глубину в капиллярно-пористые продукты (около 0,1…2,0 мм). Одновременно с этим происходит уничтожение нежелательной микрофлоры с поверхности продуктов, позволяя продлить срок хранения. При этом не нарушается структура продуктов, не изменяются вкусовые качества продуктов, не уничтожаются витамины и полезные микроэлементы.

Благодаря большому числу отражений от стенок капилляров, лучи инфракрасного излучения могут поглощаться практически полностью. В данном случае коэффициент теплообмена получается значительно большим. Таким образом, на единицу поверхности высушиваемого продукта за единицу времени передается значительное количество тепла. Данное преимущество позволяет значительно ускорить процесс сушки.

В отличии от других методов консервации инфракрасная сушка (ИКС) позволяет получить конечный продукт, сохраняющий все биологически ценные свойства и практически все витаминные элементы. Затраты на процесс сушки в инфракрасной сушилке до 20% ниже, чем в устройствах конвейерного типа и составляю 0,9-1,4 кВт/час на 1 кг испаренной влаги [3].

Сушка влажного сырья или материалов инфракрасным излучением обычно протекает в два периода, охарактеризованных различным изменением влажности сырья [4].

• в первом периоде влажность сырья уменьшается во времени линейно;
• во втором периоде процесс изменения влажности от времени приобретает характер нелинейного переходного процесса.

Скорость удаления пара с поверхности испарения во всем объеме сушильного агента лимитирует в первом периоде скорость сушки и определяется входными возмущающими внешними воздействиями: скоростью нагрева сырья, температурой и длиной волны инфракрасного излучателя, и удаленностью излучателя от поверхности испарения.

Второй период сушки часто называют периодом падающей скорости сушки. Данный период обезвоживания сырья характеризуется ростом температуры его нагрева, однако температура на поверхности сырья растет быстрее, чем внутри, что приводит к возникновению в сырье градиента температуры, направленного в сторону наружной поверхности, вызывающий явление термовлагопроводности тормозящей в этом случае процесс внутреннего массопереноса [5].

Для инженерных расчётов сушильных установок на практике используются кривые переходного процесса сушки, отображающие изменение скорости и температуры. Получают кривые сушки экспериментально, так как вычисление постоянной времени нагрева невозможно без знания геометрических показателей сырья, объёма и площади внешней поверхности обрабатываемого растительного сырья, что в некоторых случаях затруднено мелкой фракцией обрабатываемого объекта или сложной геометрической структурой как, например, у клевера.

Однако оценка кинетики сушки конкретного сырья позволяет перейти к следующему этапу проектирования радиационных сушильных установок, которым является тепловой расчет. Перед тепловым расчетом ИК установки стоит задача определения мощности генераторов лучистой энергии, его геометрических размеров и расположения в сушильной установке относительно обрабатываемого сырья [6], [7].

Для решения задачи создания эффективных установок для сушки растительного сырья, Лебедевым П. Д. предложено дифференциальное уравнение теплового баланса, которое действительно для расчета технологического регламента сушки сырья и тел любой конфигурации [8].

Уравнение теплового баланса для условий равномерного прогрева по толщине облучаемого тела, в котором энергия, поглощаемая облучаемым сырьем за время dt будет затрачиваться на его нагрев, отдачу тепла нагреваемым телом в окружающее пространство конвекцией и излучением, и на испарение из него влаги [9] имеет вид:

     (1) где: А – коэффициент поглощения излучения облучаемым сырьем; Е – плотность облучения, Вт/м; S0 и S – площадь облучаемой и полной поверхностей сырья, м; Η – время от начала облучения, ч; G – вес облучаемого растительного сырья, кг; t и t_B – температуры сырья и окружающего воздуха, °С; с – теплоемкость облучаемого сырья, ккал/кг·град;  – приведенная степень черноты облучаемого сырья и внутренних ограждений сушильной установки;  – коэффициент теплоотдачи конвекцией, ккал/м²·ч·град; Т и Т₀ – температура сырья и окружающих поверхностей, ⁰C; q' – скорость испарения вещества (начальная интенсивность), кг/м²·ч; х – показатель поглощения излучения растительным сырьем, 1/м;

L – глубина проницаемости сырья инфракрасным потоком от его наружной поверхности, м.

Отношение общей теплоотдачи (конвекцией и излучением) к потере конвекцией принимают постоянным из-за минимальной величины потерь тепла благодаря малым значениям температуры нагрева облучаемого сырья:

      (2) При этом значение потерь тепла теплоотдачей за время dn приближенно определится как:       (3) где:   – суммарный коэффициент теплообмена, ккал/м²·ч·град. В практических условиях значение суммарного коэффициента, α изменяется в пределах от 16 до 20 ккал/м² ч·град [9]. С приближением определяют и тепловой баланс облучаемого сырья, так как скорость испарения влаги считают постоянной и равной средней интенсивности . Уравнение можно представить в виде:      (4) где: S – отношение площадей полной поверхности и облучаемой ее части;  – отношение площади полной поверхности облучаемого сырья к его объему м²/м³; γ – удельный вес облучаемого сырья, кг/м.

Разделив переменные в полученном дифференциальном уравнении и заменив в нем:

      (5)

    (6)

Окончательный вид уравнения теплового баланса облучаемого сырья приобретает вид:

      (7)

Интегрирование полученных выражений по  и по t от значений заданной начальной температуры t_H до конечной температуры t_i, дает возможность получения выражения соответствующего времени нагрева [3]:

         (8)

Из полученного уравнения теплового баланса можно получить уравнение и для кинетики нагрева облучаемого тела:

         (9)

Ранее проведенные исследования [3], [9] Лебедевым П.Д. свидетельствуют о том, что для интенсификации процесса сушки растительного сырья необходимо нагревать воздух выше конечной температуры объекта сушки, как показано пунктирной линией на рисунке 1, иначе на участке bс он, охлаждая высушиваемое сырье, начнет играть отрицательную роль.

Рис. 1 – Графики изменения температуры нагреваемого продукта и воздуха при инфракрасной сушке

 

Определение по данным зависимостям основных характеристик поможет при расчете расхода электроэнергии, который зависит от плотности облучения и расположения генератора инфракрасного излучения в установке:

      (10)

где: Е – энергетическая освещенность или плотность облучения, Вт/м; Р – мощность излучателей, Вт; L – расстояние между инфракрасными излучателями, м; u – коэффициент эффективности источника, зависящий от степени заполнения облучаемым сырьем пространства и от отношения длины камеры L к h – расстоянию от излучателя до облучаемой поверхности сырья. В практических условиях изменяется в пределах 0,7…0,85 [10]: – коэффициент многократных отражений:       (11) где: q_к – коэффициент отражения камеры; q_п – коэффициент отражения поверхности облучения изделий;  –доля потока, отраженного камерой. Расход энергии на сушку тогда выразится уравнением:         (12)

где:  – энергетический КПД излучателя.

Данный расчет позволяет дать оценку установкам для сушки сельскохозяйственного сырья при разработке и проектировании сушильных ИК – установок, так как правильно спроектированная сушильная установка должна обеспечивать точное поддержание режимных параметров сушки для равномерного высыхания сырья во всем объёме камеры. К режимным параметрам сушки относя наиболее выгодные условия значений температуры, длины волны излучения, влажности, скорости движения.

Таким образом, правильно обоснованные и спроектированные параметры инфракрасной сушильной установки должны обеспечить точное поддержание режимных параметров сушки для равномерного высыхания сырья во всем объеме барабана.

В дальнейшем целесообразно получить математические модели скорости сушки травы в зависимости от влияния управляемых и не управляемых факторов на процесс сушки. Математические модели позволят разработать систему автоматического управления процессом сушки травы инфракрасными лучами.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

 

Список литературы / References

1. Попов В.Д. Основы управления технологиями низкотемпературной сушки растительной стебельчатой массы: монография / В.Д. Попов, М.Ш. Ахмедов, А.И. Сухопаров и др., // Санкт-Петербург: ИАЭП, – – 142 с.
2. Лебедев П.Д. Расчет и проектирование сушильных установок / П.Д. Лебедев // М.-Л.: Госэнергоиздат, – – 320 с.
3. Кузнецов Н.Н. Исследование процесса удаления влаги при приготовлении кормов из трав. / Н.Н. Кузнецов, А.М. Захаров, А.В. Зыков // Известия НВ АУК. 2019. 3(55). 380-388. DOI:10.32786/2071-9485-2019-03-47.
4. Назаров С.А. Комбинированные способы сушки зернистых материалов в виброкипящем слое / С.А. Назаров // Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности: материалы II междунар. научн. техн. конф. – Воронеж: Изд. ВГТА, – ч.II , – – С. 225-226.
5. Марюшин Л.А. Терморадиационный обогрев и сушка термолабильных материалов / Л.А. Марюшин // Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. – М: 1997. – 148 с.
6. Яковлев Н.Н. Повышение эффективности процессов сушки и экстрагирования плодов рябины обыкновенной и черноплодной в псевдоожиженном слое / Н.Н. Яковлев // Автореферат дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. Воронеж: ВГТА, – – 19 с.
7. Авроров Г.В. Анализ условий движения влаги под действием теплового потока при высушивании капиллярно-пористых пищевых продуктов / Г.В. Авроров, О.Д. Куканова // Вестник ДИТУД. - Димитровград: – – №4 (34). – С. 19-22.
8. Попова С.Б. Совершенствование процесса сушки тыквы в технологии плодоовощных концентратов / С.Б. Попова // Автореферат дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. - М: МГУПП, – – 25 с.
9. Зыков А.В. Теоретические предпосылки к разработке и изготовлению высокотемпературной сушилки с инфракрасным излучением / А.В. Зыков // Journal of Advanced Researchin Technical Science. – – № 15. – С. 126-129. DOI: 10.26160/2474-5901-2019-15-126-129.
10. Юнин В.А. Инфракрасный способ сушки растительного сырья / Юнин В.А. // Journal of Advanced Research in Technical Science. № 16. С. 107-110. DOI: 10.26160/2474-5901-2019-16-107-110.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Popov V.D. Osnovy` upravleniya texnologiyami nizkotemperatur-noj sushki rastitel`noj stebel`chatoj massy`: monografiya [Fundamentals of technology management for low-temperature drying of plant stalks] /V.D. Popov, M.Sh. Axmedov, A.I. Suxoparov et. al // Sankt-Peterburg: IAE`P, – 2017. – 142 p. [in Russian]
2. Lebedev P.D. Raschet i proektirovanie sushil`ny`x ustanovok [Calculation and design of drying plants]// M.-L.: Gose`nergoizdat, – 1962. – 320 p. [in Russian]
3. Kuzneczov N.N. Issledovanie processa udaleniya vlagi pri pri-gotovlenii kormov iz trav. [Fundamentals of technology management for low-temperature drying of plant stalks] / N.N. Kuzneczov, A.M. Zaxarov, A.V. Zy`kov // Izvestiya NV AUK. 2019. 3(55). P. 380-388. [in Russian]
4. Nazarov S.A. Kombinirovanny`e sposoby` sushki zernisty`x mate-rialov v vibrokipyashhem sloe [Combined methods of drying granular materials in a vibro-boiling layer] / S.A. Nazarov // Progressivny`e texnologii i oborudova-nie dlya pishhevoj promy`shlennosti: materialy` II mezhdunar. nauchn. texn. Konf [Progressive technologies and equipment for the food industry: materials of the II International Scientific Journal. techn. Conf]. – Voronezh: VGTA Publ. house, – 2004. – P. 225-226. [in Russian]
5. Maryushin L.A. Termoradiacionny`j obogrev i sushka termola-bil`ny`x materialov [Thermoradiation heating and drying of thermolabile materials] / L.A. Maryushin // Diss. na soiskanie uchenoj stepeni kand. texn. nauk. – M: 1997. – 148 p. [in Russian]
6. Yakovlev N.N. Povy`shenie e`ffektivnosti processov sushki i e`ks-tragirovaniya plodov ryabiny` oby`knovennoj i chernoplodnoj v psevdo-ozhizhennom sloe [Improving the efficiency of drying and ex-trading the fruits of mountain ash and prunes in a pseudo-liquefied layer] // Avtoreferat diss. na soiskanie uchenoj stepeni kand. texn. nauk. Voronezh: VGTA, – 2010. – 19 p. [in Russian]
7. Avrorov G.V. Analiz uslovij dvizheniya vlagi pod dejstviem teplovogo potoka pri vy`sushivanii kapillyarno-poristy`x pi-shhevy`x produktov [Analysis of the conditions of moisture movement under the action of heat flow during drying of capillary-porous food products] / G.V. Avrorov, O.D. Kukanova // Vestnik DITUD. - Dimitrovgrad: – 2007. – №4 (34). – P. 19-22.
8. Popova S.B. Sovershenstvovanie processa sushki ty`kvy` v texno-logii plodoovoshhny`x koncentratov [Improvement of the pumpkin drying process in the technology of fruit and vegetable concentrates] / S.B. Popova // Avtoreferat diss. na soiskanie uchenoj stepeni kand. texn. nauk. - M: MGUPP, – 2004. – 25 p. [in Russian]
9. Zy`kov A.V. Teoreticheskie predposy`lki k razrabotke i izgotov-leniyu vy`sokotemperaturnoj sushilki s infrakrasny`m izlucheni-em [Theoretical prerequisites for the development and manufacture of high-temperature dryers with infrared radiation] / A.V. Zy`kov // Journal of Advanced Researchin Technical Science. – 2019. – № 15. – P. 126-129. DOI: 10.26160/2474-5901-2019-15-126-129. [in Russian]
10. Yunin V.A. Infrakrasny`j sposob sushki rastitel`nogo sy`r`ya / Yunin V.A., Zy`kov A.V., Zaxarov A.M. [Infrared method of drying plant raw materials] / V.A. Yunin // Journal of Advanced Researchin Technical Science. 2019. № 16.P. 107-110. DOI: 10.26160/2474-5901-2019-16-107-110. [in Russian]