Повышение энергоэффективности сушильной установки за счет применения термоэлектрических модулей

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.

1. Kudryashev G.S., Tretyakov A.N., Batishchev S.V. et al. Characteristics of the cost of electricity consumption in agricultural production. IOP: Earth and Environmental Science. 2021. Vol. 677. 32087. DOI: 10.1088/1755-1315/677/3/032087.

2. Неверов Е.Н., Короткий И.А., Горелкина А.К. и др. Исследование параметров работы дегидратора для реализации конвективной сушки влагосодержащих пищевых продуктов // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса. 2023. N2(70). С. 466-479. DOI: 10.32786/2071-9485-2023-02-55.

3. Очиров В.Д., Федотов В.А. Определение времени и скорости нагрева измельченных плодов яблок при терморадиационной сушке // Вестник КрасГАУ. 2018. N1(136). С. 89-95. EDN: SCBYTT.

4. Алтухов И.В., Очиров В.Д., Федотов В.А. Экспериментальная ИК-установка для сушки плодов и овощей // Вестник ИрГСХА. 2017. N81-2. С. 90-96. EDN: ZFOTTR.

5. Гасанов У.Р., Магеррамова С.А. Эффективность работы энергосберегающей мини-зерносушилки с комбинированной системой теплоснабжения // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2018. Т. 12. N6. С. 9-14. DOI: 10.22314/2073-7599-2018-12-6-9-14.

6. Лобачевский Я.П., Павлов С.А. Инфракрасная сушка семян в псевдоожиженном слое // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2018. Т. 12. N5. С. 39-43. DOI: 10.22314/2618-6748-2018-12-5-39-43.

7. Надеев А.А., Бараков А.В., Дубанин В.Ю. и др. Экспериментальное исследование процесса сушки силикагеля в аппарате с центробежным псевдоожиженным слоем // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2018. Т. 14. N2. С. 44-50. EDN: YVOGXY.

8. Надеев А.А., Бараков А.В., Прутских Д.А. и др. Экспериментальное исследование конвективной сушилки с центробежным псевдоожиженным слоем // Вестник ИГЭУ. 2021. N2. С. 5-13. DOI: 10.17588/2072-2672.2021.2.005-013.

9. Altukhov I.V., Bykova S.M., Lukina G.V. et al. Automation of the drying process of agricultural raw materials to obtain products of high nutritional value. IOP: Earth and Environmental Science. 2020. Vol. 421. 32019. DOI: 10.1088/1755-1315/421/3/032019.

10. Романова Е.В., Орлов А.Ю. Возможности использования тепловых насосов в процессе сушки // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2008. Т. 14. N3. С. 591-596. EDN: KXPDIP.

11. Коновалов В.И., Романова Е.В., Гатапова Н.Ц. Сушка с тепловыми насосами в химической промышленности: возможности и экспериментальная техника // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2011. Т. 17. N1. С. 153-178. EDN: NEEHUB.

12. Барыкин Р.А., Пойманов В.В., Шахов С.В. Разработка вакуум-сублимационных сушилок с использованием термоэлектрических модулей // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2014. N1(59). С. 47-50. EDN: SDHAXD.

13. Тихомиров Д.А., Трунов С.С., Кузьмичев А.В. и др. Принцип построения энергосберегающей сушильной установки с применением термоэлектричества // Электротехнологии и электрооборудование в АПК. 2021. Т. 68. N1(42). С. 16-22. DOI: 10.22314/2658-4859-2021-68-1-16-22.

14. Тихомиров Д.А., Яшин И.С., Хименко А.В. и др. Физическое моделирование процесса сушки с применением термоэлектрического теплового насоса // Техника и оборудование для села. 2023. N1(307). С. 40-45. DOI: 10.33267/2072-9642-2023-1-40-45.

15. Tikhomirov D.A., Trunov S.S., Kuzmichev A.V., et al. Energy-efficient thermoelectric unit for microclimate control on cattle breeding premises. Energy Reports. 2020. Vol. 6S6. 293-305. DOI: 10.1016/j.egyr.2020.08.052.

16. Тихомиров Д.А., Хименко А.В., Кузьмичев А.В. Напольный обогрев поросят с применением термоэлектрического теплового насоса // Техника и оборудование для села. 2021. N9(291). С. 28-32. DOI: 10.33267/2072-9642-2021-9-28-32.

17. Яшин И.С., Тихомиров Д.А. Обзор современных сушильных установок для овощей и фруктов и способы повышения их энергоэффективности // Агротехника и энергообеспечение. 2022. N4(37). С. 175-181. EDN: FIHPRQ.

18. Шостаковский П. Современные решения термоэлектрического охлаждения для радиоэлектронной, медицинской, промышленной и бытовой техники // Компоненты и технологии. 2010. N1(102). С. 102-109. EDN: LMCSSS.

19. Капля В.И., Бурцев А.Г., Андриянов С.А. и др. Расчет режима работы элемента Пельтье, используемого в качестве охладителя в модуле осушки проб воздуха // Инженерный вестник Дона. 2017. N 2(45). 70. EDN: ZEONGH.