Исследование эффективного коэффициента диффузии и энергии активации с целью энергосбережения при конвекционной сушке

В данном исследовании проведена работа по расчету и математическому моделированию эффективного коэффициента диффузии и энергии активации при конвективной сушке продукта, рассчитан коэффициент его усадки при разных температурах. Эффективный коэффициент диффузии рассчитывался с использованием закона диффузии Фика, разработанного для конечной цилиндрической геометрии. C использованием уравнения эффективного коэффициента диффузии для температур воздуха 45, 55 и 65 °C получены следующие значения: 2,02∙10^–10, 5,05∙10^–10 и 8,08∙10^–10 м²/с соответственно. Энергия активации рассчитана как 61,1 кДж/моль с использованием наклона графика ln(D_эф)^–1/T. Установлено, что коэффициенты усадки продукта при температурах воздуха для сушки 45; 55 и 65 °С составляют примерно 23, 32 и 40 % соответственно. Чтобы найти наиболее подходящую сетчатую структуру модели, было проведено исследование независимости сети с использованием средних значений влажности с точностью до 0,001. Нелинейные одновременные уравнения тепло- и массопереноса для осушающего воздуха 45, 55 и 65 °C решаются методом конечных элементов (MATLAB) с начальными и граничными условиями. Уравнения решаются с точностью до 0,001 для 30-минутных временных интервалов. Начальные условия, использованные в опыте, и теплофизические свойства продукта подробно представлены в таблицах и на графиках. Данные, полученные экспериментальным путем и методом математических вычислений, проанализированы, и было установлено, что результаты совместимы друг с другом. Согласно полученному результату математическая модель, выражающая одновременный тепломассоперенос, может быть использована для прогнозирования распределения влаги в зависимости от температуры в продукте при сушке.

1. Воронова, Н. П. Решение одной задачи оптимального управления процессом тепломассопереноса / Н. П. Воронова // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2004. № 5. C. 76–78. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2004-0-5-76-78.

2. Analysis of the Process of Mass Transfer During Drying / A. R. Tarawade, B. Özçelik, Sh. A. Sultanova, J. E. Safarov // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2021. Vol. 848. Art. 012003. https://doi.org/10.1088/1755-1315/848/1/012003.

3. 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. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2023-66-1-66-79.

4. Heldman, D. R. Principles of food Processing / D. R. Heldman, R. W. Hartel. Gaithersburg: Aspen Publishers, Inc., 1999. https://doi.org/10.1007/978-1-4899-4584-6.

5. Geankoplis, C. J. Transport Processes and Unit Operations / C. J. Geankoplis. New Jersey: Prentice Hall, 1993.

6. Rizvi, S. S. Thermodynamic Properties of Foods in Dehydration / S. S. Rizvi // Engineering properties of foods / eds.: M. A. Rao, S. S. H. Rizvi. Third Ed. Boca Raton et al.: Taylor & Frencis, 2005. P. 239–326. https://doi.org/10.1201/9781420028805.ch7.

7. Research of Mulberry Fruit Drying in a Convection-Infrared Drying Equipment / A. Tarawade, D. Samandarov, J. Safarov, Sh. Sultanova // Proceedings of International Conference on Technological Advancements in Computational Sciences, ICTACS 2022. P. 825–830. https://doi.org/10.1109/ictacs56270.2022.9988323.

8. Avci, A. The analysis of the Drying Process on Unsteady Forced Convection in Thin Films of Ink / A. Avci, M. Can // Applied Thermal Engineering. 1999. Vol. 19. P. 641–657. https://doi.org/10.1016/s1359-4311(98)00079-9.

9. Baker, C. G. Industrial Drying of Foods / C. G. Baker. First Edition. New York: Blackie Academic and Professional, 1997. https://doi.org/10.1007/978-1-4613-1123-2.

10. McMinn, W. A. Principles, Methods and Applications of the Convective Drying of Foodstuffs / W. A. McMinn, T. R. Magee. Food and Bioproducts Processing. 1999. Vol. 77, No 3. P. 175–193. https://doi.org/10.1205/096030899532466.

11. Madamba, P. S. The thin layer drying characteristics of garlic slices / P. S. Madamba, R. H. Driscoll, K. A. Buckle // Journal of Food Engineering. 1996. Vol. 29, No 1. P. 75–97. https://doi.org/10.1016/0260-8774(95)00062-3.

12. Karim, M. A. Mathematical Modelling and Experimental Investigation of Tropical Fruits Drying / M. A. Karim, M. N. Hawlader // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2005. Vol. 48, No 23–24. P. 4914–4925. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2005.04.035.

13. Desmorieux, H. Analysis of Dryer Performance for Tropical Foodstuffs Using the Characteristic Drying Curve Concept / H. Desmorieux, C. Moyne // Drying '92. Proceedings of the 8th International Drying Symposium (IDS '92), Montreal, Quebec, Canada, August 2–5 1992. P. 834–843.

14. Kumar, C. Effective Diffusivity and Evaporative Cooling in Convective Drying of Food Material / C. Kumar, G. J. Millar, M. A. Karim // Drying Technology. 2015. Vol. 33. P. 227–237. https://doi.org/10.1080/07373937.2014.947512.

15. El-Mesery, H. S. Comparison of a Gas Fired Hot-Air Dryer with an Electrically Heated Hot-Air Dryer in Terms of Drying Process, Energy Consumption and Quality of Dried Onion Slices / H. S. El-Mesery, G. Mwithiga // African Journal of Agricultural Reseearch. 2012. Vol. 7, No 31. P. 4440–4452. https://doi.org/10.5897/ajar12.614.

16. Datta, A. K. Porous Media Approaches to Studying Simultaneous Heat and Mass Transfer in Food Processes. I: Problem Formulations / A. K. Datta // Journal of Food Engineering. 2007. Vol. 80, No 1. P. 80–95. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2006.05.013.

17. Thermal Properties of Gros Michel Banana Grown in Ghana / A. Bart-Plange, A. Addo, H. Ofori, V. Asare // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2012. Vol. 7, No 4. P. 478–484.

18. Dandamrongrak R., Young G., Mason R. Evaluation of Various Pretreatments for the Dehydration of Banana and Selection of Suitable Drying Models // Journal of Food Engineering. 2002. Vol. 55. P. 139–146. https://doi.org/10.1016/s0260-8774(02)00028-6.

19. Есьман, Р. И. Математическая модель движущихся теплоносителей / Р. И. Есьман, Л. И. Шуб // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2010. № 6. C. 53–59.

20. Study of Cellulose Extraction and Cavitation From Plant Raw Materials / A. B. Usenov, D. I. Samandarov, D. K. Alimova // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2022. Vol. 1112. Art. 012148. https://doi.org/10.1088/1755-1315/1112/1/01214.