РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО ВОЗДУШНОГО ПОТОКА В ПРОЦЕССЕ СУШКИ

АННОТАЦИЯ

В рамках настоящего исследования была начата экспериментальная работа с целью получения необходимых данных для анализа поведения сушки при расчете теплового потока воздуха. Контролируемыми переменными в каждом эксперименте были скорость и температура воздуха. Эти параметры оставались постоянными на протяжении всего эксперимента, хотя и менялись от одного эксперимента к другому. Сначала измеряли начальный вес каждого образца тыквы и его начальное содержание влаги, относительную влажность воздуха на входе и выходе из камеры, а также потерю веса образца с течением времени.

ABSTRACT

In the present study, experimental work was initiated to obtain the necessary data to analyse the drying behaviour of the air heat flux calculations. The controlled variables in each experiment were air velocity and temperature. These parameters remained constant throughout the experiment, although they varied from one experiment to another. First, the initial weight of each pumpkin sample and its initial moisture content, the relative humidity of the air at the inlet and outlet of the chamber, and the weight loss of the sample over time were measured.

Ключевые слова: конвективная сушка, энтальпия, энтропия, эксергия, тепловой воздух, масса, влажность, конвективная сушка.

Keywords: convective drying, enthalpy, entropy, exergy, thermal air, mass, moisture, convective drying.

В конвективной сушке для нахождения начальных и конечных данных, необходимых для расчета энтальпийной, энтропийной, экзергетической и эксергетической эффективности, рассматриваются массовый баланс в потоке теплового воздуха, поток влаги из теплового воздуха, масса и расход влаги, удаляемой из твердого тела, в общем, общий расход выходящей влаги и воздуха. Далее будет подробно описана обработка данных и расчеты [1].

Данные, полученные в ходе экспериментов, были обработаны в Matlab с помощью современной программы. Программа начала работу с импорта данных Excel (данные о весе образца как функции времени). Затем рассчитывались энтальпия, энтропия, эксергия и эффективность эксергии при температуре тыквы 65 °C. Изменение энтальпии тыквы было измерено, чтобы определить время, необходимое для достижения максимального значения энтальпии, и характеристики кривой. Это количество энергии, передаваемое потоком горячего воздуха твердому телу, необходимое для удаления влаги. На рис. 1 и 2 показано поведение входной и выходной энтальпии со временем для тыквы, соответственно [1].

С помощью рис. 1, можно определить, что энтальпия тыквы увеличивается со временем в соответствии с соответствующим повышением их температуры. Для тыквы до 75 мин и 40 мин, соответственно, выходная энтальпия в случае обоих овощей достигает максимума, очень близкого к входному значению, и остается постоянной до конца процесса. Следовательно, значения ΔH, показанные на рис. 2 для тыквы, соответственно, уменьшаются. Такое поведение объясняется снижением общей энтальпии в системе, или, другими словами, снижением эффективной теплопередачи потока горячего воздуха к высушенному продукту. Это происходит потому, что после контакта с горячим воздухом его температура достигает равновесного состояния.

Рисунок 1. H-энтальпия тыквы при 65 °C и скорости 1,0 м/с

Рисунок 2. ΔH-энтальпия тыквы при 65 °C и скорости 1,0 м/с

При этом равновесии температура влажной поверхности твердого тела совпадает с температурой влажного термометра осушающего воздуха, и именно здесь достигается точка максимальной энтальпии, поскольку достигнуто критическое содержание влаги. Затем, по мере уменьшения содержания влаги и высыхания влаги на поверхности (испарение), а не влаги внутри нее, поднимающейся к поверхности высушиваемого материала (массоперенос), энтальпия остается постоянной, поскольку материал достигает равновесия с условиями сушки [2].

Результаты исследования энтропии. Затем рассчитывается зависимость энтропии от времени, как показано на рис. 3 и 4, где ее поведение аналогично изменению энтальпии со временем.

Энтропия рассчитывается потому, что она используется для измерения степени беспорядка в процессе и позволяет нам различать полезную энергию, то есть ту, которая полностью преобразуется в работу, и бесполезную энергию, которая теряется в окружающей среде. Получив это значение и энтальпию, мы рассчитаем эксергию системы.

Рисунок 3. S-энтропия тыквы при 65 °C

Важно помнить, что энтропия, рассчитанная на выходе из сушилки, значительно возрастает не только за счет изменения температуры, но и за счет увеличения потока влаги в паровой фазе, содержащейся в потоке горячего воздуха, вследствие испарения влаги из твердых частиц. По этой причине для обоих овощей существует небольшой этап, на котором выходная энтропия незначительно увеличивается по отношению к входной (рис. 3). В результате этой особенности можно заметить, что ΔS системы немного уменьшается (рис. 4).

Рисунок 4. ΔS-энтропия как функция времени тыквы при 65 °C

Результаты исследования эксергии. Затем рассчитывается изменение E_x в зависимости от времени. Расчет эксергии во времени показывает качество энергии и момент, когда достигается максимальная эксергия (максимальное качество энергии). Расчет эксергии, соответствующий рис. 5, представляет собой прямую зависимость рис. 1 от энтальпии и рис. 3 от энтропии, соответственно. Таким образом, тыква на минуте 70 начинает оставаться немного постоянной вблизи своего максимального значения эксергии [3].

Рисунок 5. E_x - зависимость эксергии тыквы от времени при 65 °C

Изменение эксергетической эффективности в зависимости от времени. Затем рассчитывается изменение эффективности использования энергии с течением времени, чтобы определить, на каких этапах можно улучшить материал и условия сушки, чтобы постепенно устранить необратимость процесса и повысить степень использования имеющейся энергии в полезную энергию. На рис. 6 показано поведение второго закона эффективности или эффективности эксергии в процессе сушки тыквы. Для построения кривых использовалась полиномиальная аппроксимация четвертого порядка, чтобы лучше понять тенденцию изменения ψ, поскольку данные о скорости испарения содержат много экспериментального шума [4, 5].

Рисунок 6. Поведение ψ в зависимости от времени тыквы при 65 °C

Максимальное значение кривой эффективности соответствует максимальному значению, которое можно наблюдать на кривых скорости сушки. Это максимальное значение представляет собой точку, в которой имеющаяся энергия наилучшим образом используется для удаления влаги из твердого тела. По этой причине при уменьшении скорости сушки доступная энергия начинает использоваться меньше. Это также можно сделать, дополнительно проследив за эксергетическими показателями рис. 6 [6-8].

Выводы. Проанализировав условия и оборудование с помощью теории, было установлено, что увеличение массового расхода твердого вещества снижает эксергию. Увеличение массового расхода входящего воздуха не оказывает существенного влияния на эксергию, поэтому для повышения эффективности эксергии следует использовать и рассчитывать оптимальный расход. Эксергия увеличивается при увеличении массы высушиваемого твердого вещества, поэтому, поскольку данный эксперимент проводился на пилотной сушилке, использующей очень большие потоки воздуха по отношению к испаряемой влаге, были получены низкие значения эксергетической эффективности. Однако при проектировании промышленной сушилки необходимо учитывать соответствующее соотношение между расходом воздуха и испаряемой влагой для более эффективного использования имеющейся энергии. При повышении температуры входящего воздуха для сушки эксергия уменьшается, поскольку больше энергии расходуется на нагрев входящего воздуха. Из энергетического анализа процессов сушки тыквы можно сделать вывод, что контролируемые переменные могут повысить эффективность использования энергии, например, путем изменения соотношения потоков и адекватного контроля температуры.

Список литературы:

1. Понасенко А.С., Самандаров Д.И., Султанова Ш.А., Сафаров Ж.Э. Разработка технологии сушки растительного сырья. // Universum: технические науки. –Москва, 2022. №12(105), часть 2. С.33-37.
2. Darıcı S., Sen S. Experimental investigation of convective drying kinetics of kiwi under different conditions. Heat Mass Transfer, 51, 2015. P.1167-1176.
3. Джураев Х.Ф., Артыков А.А., Додаев К.А. Интенсификация процесса тепло- и массообмена при комплексной переработке сельхозсырья. //Хранение и переработка сельхозсырья. 2003. №11. С.47-49.
4. Karim M.A., Hawlader M.N.A. Mathematical modelling and experimental investigation of tropical fruits drying. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2016. 48(23): 4914-4925.
5. Midilli A., Kucuk H., Yapar Z. A new model for single layer drying. Drying Technology, 20(7):1503-1513.
6. Понасенко А.С., Султанова Ш.А., Сафаров Ж.Э. Результаты экспериментальных исследований процесса сушки. // Universum: технические науки. –Москва, 2023. №5(110), часть 3. С.36-39.
7. Karim M.A., Hawlader M.N. Mathematical modelling and experimental investigation of tropical fruits drying. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2016. 48(23): 4914-4925.
8. Ольшанский А.И. Исследование кинетики тепловлагообмена при термической обработке и сушке тонких влажных теплоизоляционных материалов / А.И.Ольшанский, А.Н.Голубев // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. Объединений СНГ. 2023. Т. 66, № 1. С. 66–79.