Физическое моделирование термоэлектрической сушильной установки на базе термоэлектрических модулей Пельтье

Введение. Процесс сушки — удаление влаги из твердых влажных или жидких материалов путем ее испарения и отвода образовавшихся паров. Высушенный пищевой продукт должен иметь высокие показатели физико-химических свойств, а оптимальный режим сушки должен осуществляться при минимальной затрате тепла и энергии [1].

Производство сушеных фруктов и овощей является одним из наиболее экономичных способов переработки сырья. Они занимают меньший объем для хранения, имеют длительный срок годности и могут использоваться в качестве сырья для производства пищевых концентратов в различных отраслях пищевой промышленности [2].

Исследования последних лет направлены на совершенствование способов сушки, которые бы обеспечивали максимальную сохранность пищевых и вкусовых достоинств продукта, а также высокую эффективность процесса [3].

В бытовых сушилках малой производительности, как правило, применяют конвективный способ нагрева материала. В процессе сушки происходит удаление влаги из продукта до достижения влажности 10-12 % для овощей и 18-25 % для фруктов. Известные серийно выпускаемые электросушилки для пищевых продуктов Элвин СУ-1, SUPRA DFS-211, «Ветерок-2», Polaris PFD 0205AD, «Суховей-3», Smile FD 993, Saturn ST-FP0111 и другие модели [4] в рабочем режиме сбрасывают вместе с влажным воздухом в окружающее пространство тепло, полученное от электронагревателя.

Цель исследования - разработка энергосберегающей сушильной установки на базе термоэлектрических модулей Пельтье, работающих в режиме теплового насоса, приводящих к сокращению затрат электроэнергии в процессе сушки с сохранением высоких показателей качества высушенной продукции.

Материалы и методы. Конвективные сушилки — это самые распространенные виды сушилок. Энергия передается высушиваемому объекту с помощью конвекции. В качестве сушильного агента используется нагретый воздух, который является теплоносителем и влагопоглотителем. Преимущество данного типа сушилок- это простота конструкции, возможность точного регулирования температуры высушиваемого материала.

Важную роль при конвективной сушке играют следующие параметры сушильного агента: температура, относительная влажность, скорость движения, толщина слоя, поэтому интенсификация процесса конвективной сушки заключается в регулировке данных параметров [5].

С повышением температуры сушильного агента интенсивность испарения влаги увеличивается за счет увеличения теплообмена между высушиваемым материалом и сушильным агентом, а продолжительность сушки сокращается. Однако температура в процессе сушки плодово-ягодного и овощного сырья не должна быть выше 55-65 °C.

С уменьшением относительной влажности процесс сушки ускоряется. Но сушка с низкой относительной влажностью связана с излишним расходом тепла. Кроме того, низкая относительная влажность сушильного агента вначале процесса способствует быстрому перемещению влаги и образованию корочки на поверхности, что увеличивает время сушки. Поэтому для плодово-ягодного и овощного сырья относительная влажность сушильного агента, удаляемого в окружающую среду должна быть в пределах 35-45 %.

Поскольку конвективные сушильные установки преобладают в общем парке обезвоживающих устройств, рассматривается проблема энергосбережения применительно к конвективной сушке. Методы, относящиеся к традиционным, основаны на выборе рациональной функциональной схемы сушильной установки и параметров режима сушки.

В последнее время применение термоэлектрических модулей и сборок на базе элементов Пельтье находят достаточно широкое применение в различных технологических процессах сельхозпроизводетва: осушение и подогрев воздуха [6, 7], пастеризация и охлаждение молока [8], локальный обогрев молодняка животных [9] и др. [10].

Для эффективного энергосбережения термоэлектрической сушильной установки необходимо, чтобы коэффициент рециркуляции стремился к своему предельному значению, однако, на ряду с этим происходит увеличение конечного влагос одержания сушильного агента, снижается движущая сила массообмена, что приводит к увеличению продолжительности процесса сушки. Следовательно, возрастают габаритные размеры установки, и увеличиваются капитальные затраты. [11].

Результаты и их анализ.

Разработана функциональная схема сушильной установки с применением термоэлектрического теплового насоса с частичной рециркуляцией и утилизацией теплоты сушильного агента, представленная на рисунке 1.

ZZ? икр.

Рисунок 1 - функциональная схема сушильной установки:

1 — сушильный агент (воздух); 2 - вентилятор: 3, 4 — двухканальный разделитель потока воздуха; 5 - радиатор горячего спая; 6 - радиатор холодного спая; 7 — окружающая среда; 8 -сушильная камера; 9 — блок питания 12 В

Работает данная схема следующим образом: сушильный агент 1 (50 %) нагнетается вентилятором 2, попадает в двухканальный разделитель потока 3 и 4, далее часть агента удаляется через радиатор холодного спая 6 элемента Пельтье в окружающую среду 7, вторая часть агента проходит через радиатор горячего спая 5 элемента Пельтье и подается в сушильную камеру 8. Таким образом, одна часть потока (циркулирующая, 30-60 %) подогревается в радиаторе горячего спая 5. другая его часть охлаждается в радиаторе холодного спая 6 и удаляется в окружающую серды 7. Таким образом, при охлаждении воздушного потока в радиаторе холодного спая 6 часть теплоты этого потока передается на радиатор горячего спая 5, что приводит к повышению выработки тепловой энергии на горячей стороне термоэлектрического модуля, используемой для нагрева воздуха и экономии электроэнергии потребляемой из сети.

Разработана термоэлектрическая сборка сушильной установки, представленная на рисунке 2.

Рисунок 2 - термоэлектрическая сборка сушильной установки:

1 — вентилятор холодного контура, 2,6 - теплоизолирующая вставка; 3 — воздушный радиатор холодного контура, 4 — элемент Пельтье; 5 - воздушный радиатор горячего контура; 7 - вентилятор горячего контура; 8 - клеммная колодка питания.

Термоэлектрическая сборка представляет собой термоэлектрический насос на базе элемента Пельтье ТЕС 1-22818. Снятие электрических и тепловых параметров происходит путем подключения лабораторный стенда [12].

На основании разработанной функциональной схемы (рисунок 1) и термоэлектрической сборки (рисунок 2) изготовлена физическая модель термоэлектрической сушильной установки для исследования параметров (рисунок 3).

Исходные параметры: производительность - 1 кг/ч; мощность (235±5) Вт; температура сушильного агента 55-65 °C; доля рециркуляции сушильного агента 30-60 %; продукт сушки — овощи, фрукты; источник тепловой энергии - термоэлектрический модуль Пельтье; режим работы — периодический.

Вид сверху

Вид снизу

Рисунок 3 - физическая модель термоэлектрической сушильной установки: 1 - сушильная камера; 2 - канал удаляемого воздуха; 3 - циркуляционный вентилятор, 4 - радиатор горячей стороны элементов Пельтье, 5 — сетка для высушиваемого материала; 6 - корпус, 7 - вытяжной вентилятор; 8 — радиатор холодной стороны элементов Пельтье; 9 -канал подачи удаляемого воздуха.

Проведен процесс сушки яблок, нарезанных тонкими ломтиками. Получены Г 60

измерения температуры сушильного агента (воздуха) н радиаторов термоэлектрической сборки в восьми характерных точках установки, а также измерения относительной влажности и расхода воздуха на входе и выходе установки.

На рисунке 4 представлены графики изменения температуры воздуха в характерных точках сушильной установки в зависимости от времени.

Время, ч Tiin^ h

Рисунок 4 - зависимость температуры от времени в процессе сушки:

Т1 - поверхность горячего радиатора; Т2 - воздух, подаваемый в сушильную камеру после подогрева; ТЗ - воздух в сушильной камере; Т4 - воздух, уходящий из сушильной камеры;

Т5 — воздух, удаляемый из сушильной установки; Тб - воздух окружающей среды

Согласно графикам (Т4) (рисунок 4) в установившемся режиме температура воздуха, уходящего из сушильной камеры 45 °C, а согласно графику (Т5) (рисунок 4) температура воздуха, удаляемого из сушильной установки равна 41 °C. Таким образом, сушильный агент охлаждается на 4 °C, что является подтверждением того, что физическая модель сушильной установки частично утилизирует теплоту сушильного агента, выходящего из камеры, в окружающую среду через радиатор холодного спая.

На рисунке 5 представлено изменение относительной влажности сушильного агента на входе и выходе сушильной установки в зависимости от времени, а пик на графике 2 обусловлен удалением поверхностной влаги высушиваемых яблок.

Рисунок 5 - изменение относительной влажности сушильного агента в зависимости от времени:

1 - изменение относительной влажности сушильного агента на входе; 2 - изменение относительной влажности сушильного агента на выходе

Технические параметры сушильной установки представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Технические характеристики физической модели термоэлектрической сушильной установки

Параметры	Значение показателей
Мощность установки, потребляемой из электрической сети, не более	237 Вт
Теплота, возвращаемая установкой, не менее	51,5 Вт
Напряжение питания установки	220 В
Напряжение питания одного термоэлемента	20 В
Объем материала (продукта) для сушки	9,6 л
Максимальная температура сушильного агента (воздух)	65 °C
Среднее время сушки продукта (яблок) при начальной влажности 85% и конечной 23%.	7ч

Масса яблок до и после процесса сушки представлена в таблице 2.

Таблица 2 - Масса яблок до и после процесса сушки

Масса яблок до сушки				Масса яблок после сушки
№ поддона	Масса поддона н яблок, г	Масса поддона, г	Масса яблок, г	Масса поддона н яблок, г	Масса яблок, г	Масса испаренной влаги, г	Количество испаренной влаги, %
1	446.4	171,6	274,8	235,7	64,1	210,7	76,67
2	438.5	170,4	268.1	233,3	62,9	205,2	76,54
3	420,1	173,4	246,7	225,3	51,9	194,8	78,96
4	462,3	172,4	289.9	236,4	64	225,9	77,92
5	444.6	175,4	269,2	233,8	58,4	210,8	78.31
Всего:	2211,9	863,2	1348,7	1167,2	304	1044,7

Выводы. Реализована физическая модель термоэлектрической сушильной установки согласно функциональной схеме. Модуль Пельтье в данной модели работает в режиме теплового насоса, за счет чего обеспечивается снижение затрат электроэнергии на проведение процесса сушки путем использования части теплоты удаляемого сушильного агента при конвективной сушке.

Среднее количество утилизируемой теплоты из удаляемого сушильного агента, которое подводится к радиатору холодного спая термоэлектрического теплового насоса при среднем значении перепада температур до и после радиатора в течение процесса сушки 7,3 °C, составляет 51,5 Вт, что соответствует ~ 20% от общего потребления термоэлектрической сушильной установки из электрической сеги (~ 237 Вт).

Физическая модель обеспечивает более равномерный процесс сушки продукта за счет наличия боковых воздушных каналов и более эффективной организации движения сушильного агента в рабочей камере, что подтверждается результатами проведенных испытаний.

Применение термоэлектрического теплового насоса отработанного сушильного агента позволяет уменьшить б^                 Агротехника п энергообеспечение. — 2024. — № 4 (45) с рекуперацией теплоты установленную мощность нагревателя и снизить расход электроэнергии на процесс сушки разработанной конвективной термоэлектрической сушильной установкой по сравнению с традиционными серийно выпускаемыми установками.

Дальнейшие исследования будут направлены на повышение энергоэффективности термоэлектрической установки путем регулирования величины рециркуляции сушильного агента.