Математичне моделювання та дослідження процесу сушіння зерна в бункерних установках з радіальною подачею сушильного агента

Борис Котов, Валерій Войтюк, Роман Калініченко, Сергій Степаненко, Альвіан Кузьмич
Анотація

Одним із ключових завдань сучасного зернопереробного обладнання є підвищення ефективності сушіння в бункерних установках із кільцево-циліндричним шаром зерна. Метою даної роботи було дослідження нестаціонарних процесів тепломасообміну в кільцевому шарі зерна в сушарці бункерного типу з радіальною подачею сушильного агента для оцінки рівномірності розподілу температури і вологи та визначення впливу параметрів сушіння на ефективність зневоднення. Для підвищення енергоефективності та якості сушіння запропоновано дворівневу математичну модель, яка дозволяє дослідити процеси внутрішнього тепломасопереносу та зовнішнього тепло- і масообміну. На першому рівні моделювалася кінетика сушіння окремої зернівки у вигляді сфери, що контактує з сушильним агентом постійної температури й вологості. На другому рівні описано процес фільтраційного сушіння щільного кільцево-циліндричного шару зерна при радіальній подачі сушильного агента. Теплофізичні коефіцієнти моделей ідентифіковані за результатами натурних експериментів. Отримані аналітичні та чисельні розв’язки представлених математичних моделей дозволили визначити раціональні параметри конструкції та розраховувати енергоефективні режими роботи зерносушарок бункерного типу в залежності від початкових параметрів зерна. Обґрунтовано, що найбільша ефективність досягається при використанні періодично-циркуляційного режиму, що забезпечує рівномірне прогрівання та зневоднення зернової маси за радіальною координатою шару. Встановлено залежності впливу температури, вологовмісту та швидкості фільтрації повітря на експозицію сушіння зерна в шарі, що дозволяє здійснювати гнучке керування сушильним процесом залежно від умов експлуатації. Результати дослідження підтвердили, що застосування періодично-циркуляційного режиму сушіння дозволяє досягти високої рівномірності кінцевої вологості зерна, підвищити енергоефективність процесу та значно знизити нерівномірність нагріву зерна в порівнянні з традиційними безперервними режимами сушіння зерна в товстому радіальному шарі. Результати можуть бути використані як для модернізації існуючих сушильних установок, так і при проектуванні нових енергоощадних зерносушарок

Ключові слова

математичне моделювання, тепломасообмін, бункерна сушарка, циклічно-періодичний режим, кільцево-циліндричний шар

ЦИТУВАТИ
Kotov, B., Voitiuk, V., Kalinichenko, R., Stepanenko, S., & Kuzmych, A. (2025). Mathematical modelling and investigation of the grain drying process in bunker units with radial supply of drying agent. Machinery & Energetics, 16(3), 33-47. https://doi.org/10.31548/machinery/3.2025.33
Використані джерела
  1. Agrimec grain dryer (mobile). (n.d.). Retrieved from https://www.eridon-tech.com.ua/agrimec-mobile-dryers/.
  2. Ahmad, N., et al. (2021). Impact of thermal extrusion and microwave vacuum drying on fatty acids profile during fish powder preparation. Food Science and Nutrition, 9, 2743-2753. doi: 10.1002/fsn3.2236.
  3. Bezbah, I., Zykov, A., Mordynskyi, V., Osadchuk, P., Phylipova, L., Bandura, V., Yarovyi, I., & Marenchenko, E. (2022). Designing the structure and determining the mode characteristics of the grain dryer based on thermosiphons. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2(8-116), 54-61. doi: 10.15587/1729-4061.2022.253977.
  4. Chuiuk, R. (2025). Mathematical model of the process of converting waste oils into diesel biofuel. Scientific Reports of the National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, 21(1),28-43. doi: 10.31548/dopovidi/1.2025.28.
  5. Coradi, P.C., & Lemes, Â.F. (2019). Experimental prototype of silo-dryer-aerator of grains using computational fluid dynamics (CFD) system. Acta Scientiarum. Technology, 41, article number e36949. doi: 10.4025/actascitechnol.v41i1.36949.
  6. Demissie, P., Hayelom, M., Kassaye, A., Hailesilassie, A., Gebrehiwot, M.G., & Vanierschot, M. (2019). Design, development and CFD modeling of indirect solar food dryer. Energy Procedia, 158, 3721-3726. doi: 10.1016/j.egypro.2019.01.278.
  7. El-Mesery, H.S., Qenawy, M., Ali, M., Hu, Z., Adelusi, O.A., & Njobeh, P.B. (2024). Artificial intelligence as a tool for predicting the quality attributes of garlic (Allium sativum L.) slices during continuous infrared-assisted hot air drying. Journal of Food Science, 89(11), 7693-7712. doi: 10.1111/1750-3841.17373.
  8. Fratelli Pedrotti mobile grain dryers. (n.d.). Retrieved from https://zernosusharka.com/.
  9. Huang, F., Zheng, J., Baleynaud, J.M., & Lu, J. (2017). Heat recovery potentials and technologies in industrial zones. Journal of the Energy Institute, 90(6), 951-961. doi: 10.1016/j.joei.2016.07.012.
  10. Jimoh, K.A., Hashim, N., Shamsudin, R., Che Man, H., Jahari, M., & Onwude, D.I. (2023). Recent advances in the drying process of grains. Food Engineering Reviews, 15, 548-576. doi: 10.1007/s12393-023-09333-7.
  11. Kaletnik, H., Solona, O., Kotov, B., Stepanenko, S., Shvydia, V., Kalinichenko, R., Tverdokhlib, I., & Polievoda, Y. (2024a). The usage of the elemental base of the vibratory mill with the spatial circulation movement of material to create drying rig. Przegląd Elektrotechniczny, 1, 234-239. doi: 10.15199/48.2024.03.41.
  12. Kraiem, A., Madiouli, J., Shigidi, I., & Sghaier, J. (2023). Experimental analysis of drying conditions’ effect on the drying kinetics and moisture desorption isotherms at several temperatures on food materials: Corn case study. Processes, 11(1), article number 184. doi: 10.3390/pr11010184.
  13. Kuznietsova, I., Bandura, V., Paziuk, V., Tokarchuk, O., & Kupchuk, I. (2020). Application of the differential scanning calorimetry method in the study of the tomato fruits drying process. Agraarteadus, 31(2), 173-180. doi: 10.15159/jas.20.14.
  14. Messerle, V., & Ustimenko, A. (2024). Plasma processing of rubber powder from end-of-life tires: Numerical analysis and experiment. Processes, 12, article number 994. doi: 10.3390/pr12050994.
  15. Mukwevho, P., & Emmambux, M.N. (2022). Effect of infrared and microwave treatments alone and in combination on the functional properties of resulting flours from Bambara groundnut seeds. LWT – Food Science and Technology, 153, article number 112448. doi: 10.1016/j.lwt.2021.112448.
  16. Nascimento, V.R.G., Biagi, J.D., Oliveira, R.A.D., Arantes, C.C., & Rossi, L.A. (2019). Infrared radiation drying of Moringa oleifera grains for use in water treatment. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, 23, 768-775. doi: 10.1590/1807-1929/agriambi.v23n10p768-775.
  17. Onderová, A.I., Cacko, B.V., Šooš, C.L., & Ondruška, D.J. (2019). Drying of biological materials in the dryer with controlled vacuum chambers. In 2019 international council of environmental engineering education – technologies of environmental protection (pp. 201-205). Starý Smokovec: IEEE. doi: 10.1109/ICTEP48662.2019.8968950.
  18. Palamarchuk, I., Palamarchuk, V., Paziuk, V., Hulevych, R., Kalizhanova, A., & Sarsembayev, M. (2023). Analysis of power and energy parameters of the conveyor infrared dryer of oil-containing raw materials. Informatyka, Automatyka, Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska, 13(2), 10-14. doi: 10.35784/iapgos.3487.
  19. Shevchenko, I., & Aliiev, E. (2020). Improving the efficiency of the process of continuous flow mixing of bulk components. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6/1(108), 6-13. doi: 10.15587/1729-4061.2020.216409.
  20. Sniezhkin, Y., & Petrova, Z. (2023). Energy consumption and environmental aspects of drying processes. Science and Innovation, 19(2), 44-55. doi: 10.15407/scine19.02.044.
  21. Sokolenko, A., Shevchenko, O., Koval, O., Maksymenko, I., & Shevchenko, A. (2020). Phase transitions in food production technologies. Ukrainian Food Journal, 9(4), 889-900. doi: 10.24263/2304-974X-2020-9-4-13.
  22. Sultanova, Sh.A., Imanova, G.T., Safarov, J.E., Usenov, A.B., Ait-Kaddour, A., & Azimov, A.T. (2024). Mathematical modelling of pumpkin seed drying in a rotary thermosyphon dryer. Materials Research Innovations, 28(7), 503-508. doi: 10.1080/14328917.2024.2366581.
  23. Timm, N.D.S., Lang, G.H., Ferreira, C.D., Pohndorf, R.S., & De Oliveira, M. (2020). Infrared radiation drying of parboiled rice: Influence of temperature and grain bed depth in quality aspects. Journal of Food Process Engineering, 43, article number e13375. doi: 10.1111/JFPE.13375.
  24. Tsurkan, O., Prysiazhniuk, Y., Spirin, A., Borysiuk, D., Tverdokhlib, I., & Polievoda, Y. (2022). Research of the process of vibroozone drying of grain. Przegląd Elektrotechniczny, 98(12), 329-333. doi: 10.15199/48.2022.12.76.
  25. Wang, W., Wang, W., Wang, Y., Yang, R., Tang, J., & Zhao, Y. (2020). Hot-air assisted continuous radio frequency heating for improving drying efficiency and retaining quality of inshell hazelnuts (Corylus avellana L. Cv. Barcelona). Journal of Food Engineering, 279, article number 109956. doi: 10.1016/j.jfoodeng.2020.109956.
  26. Xu, Z.Y., Wang, R.Z., & Chun, Y. (2019). Perspectives for low-temperature waste heat recovery. Energy, 176, 1037-1043. doi: 10.1016/j.energy.2019.04.001.
  27. Yu, P., Zhu, W., Shen, C., Qiao, Y., Zhang, W., Zhu, Y., Gong, J., & Cai, J. (2025). Current status of grain drying technology and equipment development: A review. Foods, 14, article number 2426. doi: 10.3390/foods1414426.