Дмитрий Анатольевич Тихомиров, доктор технических наук, член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник
Москва
Dmitry A. Tikhomirov, corresponding member of the Russian Academy of Sciences, Dr.Sc.(Eng.), chief researcher
Moscow
Алексей Викторович Хименко, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник
Москва
Aleksey V. Khimenko, Ph.D.(Eng.), senior researcher
Moscow
Алексей Васильевич Кузьмичев, научный сотрудник
Москва
Aleksey V. Kuzmichev, researcher
Moscow
Сушка пищевых продуктов и материалов относится к наиболее распространенным способам и энергоемким процессам переработки сырья. Основным недостатком традиционных электрических конвективных бытовых сушилок являются потери теплоты в окружающую среду с влажным отработанным сушильным агентом. Также в подобных установках высушиваемый продукт нагревается неравномерно за счет снижения температуры и увеличения относительной влажности по мере продвижения снизу вверх. (Цель исследования) Провести лабораторные исследования процесса сушки на примере яблок для оценки энергозатрат на испарение 1 кг влаги разработанной конвективной термоэлектрической сушильной установкой и сравнить ее энергоэффективность с серийно выпускаемыми конвективными сушилками. (Материалы и методы) На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований были разработаны функциональная схема и лабораторный образец конвективной термоэлектрической сушилки с применением термоэлектрического теплового насоса. Сушка продукта осуществляется сушильным агентом (нагретым воздухом) с частичной рециркуляцией и рекуперацией теплоты удаляемого воздуха. (Результаты и обсуждение) Получены графики изменения температуры в контрольных точках и относительной влажности сушильного агента на входе и на выходе из разработанной установки. Представлены параметры яблок до и после сушки в термоэлектрической сушильной установке, а также в традиционной серийно выпускаемой конвективной сушилке бытового назначения. Разработана электрическая схема управления. Приведены выражения для расчета радиатора горячего спая термоэлектрического теплового насоса «воздух-воздух». (Выводы) Оценено среднее значение количества утилизируемой теплоты радиатором холодного спая термоэлектрического теплового насоса из удаляемого сушильного агента в процессе сушки, которое составляет около 20 процентов от общего энергопотребления термоэлектрической установки из электрической сети. Выявлено, что лабораторный образец разработанной термоэлектрической сушильной установки обеспечивает более равномерный процесс сушки продукта за счет наличия боковых воздушных каналов и более эффективной организации движения сушильного агента в рабочей камере в отличие от традиционных конвективных сушилок, что подтверждается результатами испытаний. Показали, что применение термоэлектрического теплового насоса с рекуперацией теплоты отработанного сушильного агента позволит уменьшить установленную мощность нагревателя сушильного агента и снизить расход электроэнергии на процесс сушки по сравнению с серийно выпускаемыми бытовыми конвективными сушилками.
Drying food products and materials is one of the most common methods in processing raw materials, yet it remains an energy-intensive process. The main drawback of traditional electric convective household dryers is the loss of heat and the wet waste drying agent into the environment. Furthermore, such units are characterized by uneven heating of the dried product, attributed to a temperature decrease and increasing humidity from bottom to top. (Research purpose) The purpose of this study is to conduct laboratory experiments on the drying process of apples focusing on evaluating the energy consumption required to evaporate 1 kilogram of moisture using a newly developed convective thermoelectric drying unit and compare its energy efficiency with mass-produced convective dryers. (Materials and methods) The findings from theoretical and experimental studies facilitated the development of a functional diagram and a laboratory prototype of a convective thermoelectric dryer using a thermoelectric heat pump. The drying process involves the utilization of a drying agent (heated air) with partial air recirculation, and heat recovery from the exhaust air. (Results and discussion) Temperature variations at designated control points and the relative humidity of the drying agent at both inlet and outlet of the developed unit were graphed and analyzed. The parameters of apples before and after drying in the thermoelectric drying unit are compared with those dried in a conventional household convective dryer. The study has resulted in developing an electrical control circuit for a thermoelectric drying unit and providing expressions to calculate the hot junction radiator of an air-to-air thermoelectric heat pump integrated into the developed drying unit. (Conclusions) The study estimated the average heat recovery by the cold junction radiator of a thermoelectric heat pump from the exhaust drying agent during the drying process, amounting to approximately 20 percent of the total energy consumption by the thermoelectric drying unit from the electrical grid. The research findings demonstrate that the laboratory prototype offers a more consistent drying process for the product. This is attributed to the incorporation of side air channels and a more efficient arrangement of the drying agent’s movement within the working chamber, as opposed to traditional convective dryers. These conclusions are substantiated by the test results. It is illustrated that the use of a developed thermoelectric heat pump with heat recovery from the waste drying agent can lead to a reduction in the installed power capacity of the drying agent heater and a decrease in the energy consumption for the drying process in the developed convective thermoelectric drying unit compared to mass-produced household convective dryers.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.