Automated system with self-regulating electric heating for energy-efficient drying of fruit and vegetable raw materials

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The aim of the research is to increase the energy efficiency of automated drying units by using electric heaters with the effect of self-regulating temperature and an automated control system. The process of drying plant materials is energy-intensive and requires powerful energy sources for its implementation. Analysis of heat losses at increased energy costs in the drying process – determines the need to use a more efficient and controllable electric heating system. The article investigates the possibility of using electric heaters with the effect of self-regulating temperature for drying fruit and vegetable products. Structurally, the electric heaters consisted of the following components: an electrode (aluminum foil 100 μm thick), a dispersed filler - multilayer nanotubes (MWCNTs) and a polymer matrix (elastomer). MWCNTs were obtained by electromagnetic microwave synthesis. The polymer composite was powered by a programmable current source Aktakom ANT-1351 with an output adjustable voltage from 0 to 30 V. Using a thermal imager, data on the heat flow of the infrared spectrum were obtained, which corresponded to uniform radiation from the surface of the electric heater. Heating was activated as a result of polarization of the polymer composite by alternating voltage using neural network algorithms. The diagram of the drying unit with adaptive electric heating depending on the drying conditions, in particular, on the temperature in the drying chamber and the temperature of the fruit and vegetable raw materials is shown. Intelligent control of the drying process in this case was ensured by adaptive change in the voltage of the electric heater, thereby changing the power of the heat flow depending on the degree of readiness (moisture content) of the original raw materials. The presented drying method allows preserving the useful and nutritional properties of the processed raw materials.

Full Text

Одним из инновационных направлений развития агропромышленного комплекса (АПК) является разработка новых материалов, которая позволяет осуществить переход на новую элементную базу с возможностью интеграции в автоматизированные системы, необходимых для оснащения технических средств переработки плодоовощной продукции с высоким уровнем оптимизации. Необходимо отметить активное использование новых технологий в сфере переработки растительного сырья [1-5]. Это обусловлено необходимостью сохранения питательных веществ, и соответственно, повышением экономической рентабельности технологий переработки растительного и плодоовощного сырья [6-7]. Применение традиционных средств электронагрева приводит к получению продукции при больших затратах энергии и длительности процесса, а также потере ценных свойств плодоовощной продукции. При этом автоматизация является важным направление развития технологий переработки растительного сырья и может быть улучшена за счет применения новых типов элементов электронагрева, обладающих эффектом саморегулирования температуры.

Разработка нового технического оснащения для термической обработки плодоовощной продукции, обусловлена получением материалов нового поколения для термической обработки растительного сырья, что в свою очередь создает основу новым техническим возможностям для полной автоматизации процесса сушки. Данный подход может быть реализован на стыке таких научных дисциплин как материаловеденье и информатика, т.е. интеллектуальные информационные технологии, которые могут быть использованы для управления новых функциональных и конструктивных материалов [8-11]. Интеллектуальные технологии, интегрированные в функциональные материалы, позволят обеспечить обратную связь с процессом сушки и получить объективную информацию о термической обработке растительных материалов, [10].

Разработка новых средств электронагрева, обладающих эффектом саморегулирования температуры для сушки растительного сырья, обеспечивающих оптимизацию процесса является актуальной задачей.

Цель исследований – улучшить энергетическую эффективность сушильной установки за счет применения электронагревателей с эффектом саморегулирования температуры и автоматизированной системой управления.

Задачи исследований: обосновать структурную схему автоматического регулирования для электронагревателей с эффектом саморегулирования температуры; исследовать тепловыделения с поверхности электронагревателя при различном питающем напряжение.

Материал и методы исследований. В соответствии с методикой изложенной в работах [8, 9] был получен нагреватель площадью 25 см2 и толщиной 0,2 см. В качестве элементов подвода электрического тока использовались электроды – алюминиевая фольга (А5, РусАл, Россия) толщиной 100 мкм. В таблице 1 представлен состав нагревателя (Полимерная матрица – кремнийорганический компаунд «Силагерм»-8040 (ООО «ЭЛЕМЕНТ 14», Москва, Россия). В качестве дисперсного наполнителя использовались многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ), полученных методом СВЧ-синтеза. Нагревательные элементы подключались к программируемому источнику тока (Актаком АНТ-1351, Россия) (выходное напряжение 0-30 В (регулируемое).

Регистрация потребляемого тока производилась с помощью мультиметра UNI-T UT71E+ (UNI-T, Китай), синхронизированного с персональным компьютером (на основе процессора Ryzen 7 1700) по USB-интерфейсу. Исследование распределения температурного поля на поверхности нагревателя в режиме тепловыделений проводилось бесконтактным методом с помощью тепловизора Testo-875-1 (Германия, Testo).

Энергосберегающая конвективно-вакуумная сушилка (рис. 1) содержит цилиндроконическую камеру 1, штуцер герметичного питания 2, барабан 3, воздуховоды 4, электрический саморегулирующийся нагреватель 5 и шаровые затворы 6. Цилиндроконическая камера 1, представляет собой первую ступень сушилки, которая через вставку цилиндрического профиля и устройство перекрытия 7 соединена с камерой второй ступени 8, герметичную крышку 9, устройство соединения с вакуумной системой 10.

Энергосберегающая конвективно-вакуумная сушилка для растительного сырья работает следующим образом: воздух подается в цилиндроконическую камеру 1, где подогревается электрическим теплоаккумулирующим нагревателем 5. Растительный материал в виде соломки, подается через штуцер питателя 2, захватывается потоком теплоносителя и попадает во внутреннюю полость сушилки, где образует взвешенный закрученный слой, в этот момент времени горячий воздух уносит влагу и проходит через электрический саморегулирующийся нагреватель, в котором отдает часть теплоты. Растительный материал теряет поверхностную влагу, и скапливается в нижней части сушилки (барабане) 3. Вторая камера 8 в этот момент прогревается с помощью электрического теплоаккумулирующего нагревателя. После того, как наберется требуемый объем, открывается герметичный затвор 7, при этом закрываются шаровые затворы 6 и растительный материал пересыпается во вторую ступень камеры 8, где начинается вторая стадия сушки, а именно продувка и вакуумирование через устройство соединения с вакуумной системой 10, Высушенный продукт ссыпают через крышку 9 и отправляют на дальнейшую обработку.

 

Рис. 1. Сушильная установка с электронагревателями: 1 – цилиндроконическая камера (режим конвективной сушки); 2 – штуцер герметичного питания, 3 – барабан; 4 – воздуховоды; 5 – электрический саморегулирующийся нагреватель; 6 – шаровые затворы; 7 – устройство перекрытия; 8 – камера второй ступени (режим вакуумной сушки); 9 – крышка; 10 – вакуумная система.

 

На рисунке 2 приведена структурная схема автоматизированного управления системой электронагрева с эффектом саморегулирования температуры для сушильной установки. Для входного воздействия (x) используется напряжение питания нагревателя, которое изменяется по алгоритму - формируемому нейронной сетью.

 

Рис. 2. Структурная схема автоматического регулирования процесса сушки

 

Структурная схема автоматического регулирования (комбинированная) процесса сушки плодоовощной продукции: К – усилитель с коэффициентом усиления К; возмущающее воздействие f; P – регулятор; х – входное воздействие (напряжение питания нагревателя, которое изменяется по алгоритму формируемому нейронной сетью); е – сигнал рассогласования (ошибка управления); u – управляющее воздействие; ОУ – объект управления (сушильная установка); T – выходной сигнал.

Принцип функционирования схемы автоматического регулирования (рис. 2) основан на контроле температурного режима в сушильной камере с управляющим воздействием на основе сигнала от регулятора с учетом усиленного сигнала от возмущающего воздействия. Преимуществом такой схемы управления является возможность задание мощности теплового потока, который не будет перегревать высушиваемый материал, так верхний диапазон температур ограничен – температурой саморегулирования. Структурная схема автоматического регулирования процесса сушки должна дорабатываться под конкретный тип системы сушки с учетом размещения измерительных преобразователей температуры, а также особенностей теплообмена, связанных с конструкцией сушильной установки.

Результаты исследований. Исследование температурного поля для нагревателя при изменении уровня питающего напряжения (от 12 до 18 В с шагом 2 В) представлено на рисунке 3.

 

Рис. 3. Тепловизионные снимки нагревателя при смене питающего напряжения

 

Из анализа тепловизионных снимков следует, что температурное поле – формируемое на поверхности нагревателей является практически равномерным с незначительными температурными искажениями (в виде точек или краевых эффектов) для разных значений питающего напряжения в диапазоне от 12 до 18 В. Максимальные значения температур для тепловизионных снимков поверхности нагревателя - приведены в таблице 1.

В таблице 1 показаны режимы саморегулирования температуры в зависимости от питающего напряжения.

 

Таблица 1

Режим работы электронагревателя с эффектом саморегулирования температуры

№

Напряжение, В

Температура саморегулирования, °С

Время саморегулирования, с

1

12

65,5

220

2

14

70,7

205

3

16

73,4

192

4

18

74,9

170

 

Повышение питающего напряжения нагревателей приводит к снижению времени саморегулирования и повышению температуры (таблица 1), что может быть использовано при выборе параметров настройки автоматической системы регулирования сушки (входного воздействия (x)), а также обучении нейронной сети, которая учитывает особенности режимов работы нагревателей. Изменение питающего напряжения на 6 В приводит к росту температуры нагревателя на 9,4 °С и снижению времени саморегулирования на 50 с. Это может быть использовано для реализации сушки с несколькими периодами или стадиями, когда влагосодержание и структурно-морфологические свойства растительного сырья меняются в процессе сушки и необходимо подбирать эффективный динамический режим сушки с управляемыми циклами (по времени и температурному воздействию).

Заключение. Проведенные исследования показали возможность получения нагревателей с эффектом саморегулирования температуры, которые могут обладать управляемыми динамическими параметрами нагрева, связанными с изменением мощности и динамики роста температуры, а также различным значением установившейся температуры на поверхности, что позволяет адаптировать технологию ИК нагрева в вакуумных сушильных установках для сушки растительного сырья с учетом различных видов плодоовощной продукции.

Из основных выводов можно выделить следующие:

  1. Представленая схема автоматического регулирования при которой для входного воздействия используется напряжение питания нагревателя, которое изменяется по алгоритму формируемому нейронной сетью. Саморегулирование температуры позволяет не перегревать растительное сырье, так как существует ограничение по верхнему порогу температуры.
  2. Анализ тепловизионных снимков показывает, что температурное поле – формируемое на поверхности нагревателей является практически равномерным с незначительными температурными искажениями (в виде точек или краевых эффектов) для разных значений питающего напряжения в диапазоне от 12 до 18 В.
×

About the authors

Alexander V. Shchegolkov

Tambov State Technical University

Author for correspondence.
Email: energynano@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4317-0689

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Russian Federation, Tambov

Yury V. Rodionov

Tambov State Technical University

Email: rodionow.u.w@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0001-9601-9555

Doctor of Technical Sciences, Professor

Russian Federation, Tambov

Aleksei V. Shchegolkov

Moscow Polytechnic University

Email: alexxx5000@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1838-3842

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Russian Federation, Moscow

References

  1. Sapozhnikov, A. N., Kopylova, A.V., & Obrikov, D. A. (2024). Prospects for the use of pumpkin pulp and rosehip fruit powders in baking. Bulletin of the Murmansk State Technical University, 27(2), 242-255. (in Russ).
  2. Tipsina, N. N., & Demidenko, G. A. (2023). Use of the product of processing of vegetable raw materials in the manufacture of new types of flour confectionery products. Bulletin of the Krasnoyarsk State Agrarian University, (9 (198)), 230-237. (in Russ).
  3. Vasyukova, A. T., Kusova, I. U., Moshkin, A.V., Dyshekova, M. M., & Glukhova, E. V. (2024). Development of products with extended shelf life. New Technologies, 20(1), 42-49. (in Russ).
  4. Sergeeva I. Yu., Anshukov A. V. & Ryabokoneva L. A. (2024). Phytochemical potential of Betula pendula and Atriplex horten-sis for the technology of functional foods. Bulletin of Bashkir State Agrarian University. 2024. 1(69). 128-134. (in Russ).
  5. Burak, L. Ch., Sapach, A. N., & Zavaley, A. P. (2024). Effect of cold plasma treatment on the quality and nutritional value of plant raw materials. Overview of the subject field. Izvestiya vuzov. Applied Chemistry and Biotechnology, 14(2 (49)), 173-183. (in Russ).
  6. Posokina, N. E., & Zakharova, A. I. (2024). Modern biological methods of processing plant raw materials used to increase its storage capacity. Food systems, 7(2), 298-304. (in Russ).
  7. Kurochkin, A. A., Novikova, O. A., & Yuryev, V. Yu. (2024). Thermal vacuum extrusion as a representative of a new techno-logical order in food systems. Innovatsionnaya tekhnika i tekhnologiya, 11(1), 38-45. (in Russ).
  8. Shchegolkov, A. V. (2024). An automated system for drying and cleaning vegetable raw materials using thermal accumulators and electric heaters with the effect of temperature self-regulation. Science in Central Russia. 2023. 6(66). 17-26. (in Russ).
  9. Shchegolkov, A.V., Shchegolkov, A.V., & Chumak, M. A. (2024). Synthesis of carbon nanotubes using microwave radiation to modify an elastomer with improved electrical and thermal conductivity. Perspektivnye materialy, 4, 54-65. (in Russ).
  10. Shchegolkov, A.V., Komarov, F. F., Parfimovich, I. D., & Zemtsova, N. V. (2023). Electro - and thermophysical properties of organosilicon elastomers modified with carbon nanotubes and micro-sized metal structures. Russian Chemical Journal, 67(4),
  11. -53. (in Russ).
  12. Vasiliev, S. I., Mashkov, S. V., Gridneva, T. S. & Kudryakov, E. (2022). In substantiation of the characteristics of the electric field to increase energy saving in the cultivation of vegetable crops // Samara AgroVector. 2, 2. 17-27. (in Russ).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Drying unit with electric heaters: 1 – cylindrical conical chamber (convective drying mode); 2 – hermetic supply fitting, 3 – drum; 4 – air ducts; 5 – electric self–regulating heater; 6 – ball valves; 7 - shut-off device; 8 – second stage chamber (vacuum drying mode); 9 – lid; 10 – vacuum system.

Download (134KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Block diagram of automatic control of the drying process

Download (27KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Thermal imaging images of the heater when changing the supply voltage

Download (67KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Shchegolkov A.V., Rodionov Y.V., Shchegolkov A.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.