CC BY
0
• 7u niversum.com
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_январь. 2025 г.
СТАТЬИ НА РУССКОМ ЯЗЫКЕ
ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ
DOI: 10.32743/UniTech.2025.130.1.19087
ДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ТОНКОСЛОЙНАЯ СУШКА ЛИСТЬЕВ ПОДОРОЖНИКА В СОЛНЕЧНЫХ СУШИЛКАХ
Усманов Комил Исроилович
зав. кафедрой «Автоматизация и цифровое управление» Ташкентского химико-технологического института,
Узбекистан, г. Ташкент E-mail: _ fuzzylogicrules@gmail. com
Султанова Шахноза Абдувахитовна
д-р. техн. наук, профессор, Ташкентский государственный технический университет,
Узбекистан, г. Ташкент
Унгбаева Дилфуза Уразовна
старший преподаватель кафедры «Автоматизация и цифровое управление», Ташкентского химико-технологического института,
Узбекистан, г. Ташкент,
Максудова Азиза Икрамджановна
ассистент кафедры «Автоматизация и цифровое управление», Ташкентского химико-технологического института,
Узбекистан, г.Ташкент,
DYNAMIC MODELING AND THIN-LAYER DRYING OF PLANTAIN LEAVES
IN SOLAR DRYERS
Komil Usmanov
Head of department Automation and digital control of the Tashkent chemical-technological institute,
Uzbekistan, Tashkent
Shakhnoza Sultanova
Doctor of Sciences, Professor, Tashkent State Technical University, Uzbekistan, Tashkent
Dilfuza Ungbayeva
Senior lecturer of department "Automation and digital control" of the Tashkent chemical-technological institute,
Uzbekistan, Tashkent
Aziza Maksudova
Assistant of department "Automation and digital control" of the Tashkent chemical-technological institute,
Uzbekistan, Tashkent
Библиографическое описание: ДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ТОНКОСЛОЙНАЯ СУШКА ЛИСТЬЕВ ПОДОРОЖНИКА В СОЛНЕЧНЫХ СУШИЛКАХ // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Усманов К.И. [и др.]. 2025. 1(130). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/19087
• 7uni versum.com
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_январь. 2025 г.
АННОТАЦИЯ
Настоящее исследование посвящено изучению процесса сушки листьев подорожника в условиях солнечной сушки, характерных для климата города Ташкент, Узбекистан. Листья подорожника являются ценным источником биоактивных соединений, включая флавоноиды, фенольные кислоты и муцилагин, однако их высокая влажность ограничивает срок хранения, что требует эффективных методов сушки. В работе исследовано влияние температуры (30-70 °C) на кинетику сушки, влагопроводность и энергию активации. Эксперименты проводились с использованием адаптированных солнечных сушилок. Лучшая аппроксимация данных достигнута с использованием модели Мидилли, продемонстрировавшей высокую точность (R2 = 0,9948-0,9995). Эффективная влагопроводность варьировалась от 1,33 х 10~9 м2/с до 4,83 х 10~9 м2/с, энергия активации составила 26,05 кДж/моль. Результаты подтверждают эффективность солнечной сушки для повышения стабильности и сохранности подорожника. Предложенный подход способствует разработке энергоэффективных систем обработки лекарственных растений для регионов с высокой солнечной радиацией.
ABSTRACT
The study focuses on the drying process of plantain leaves under solar drying conditions typical of the climate in Tashkent, Uzbekistan. Plantain leaves are a valuable source of bioactive compounds, including flavonoids, phenolic acids, and mucilage, but their high moisture content limits their shelf life, necessitating efficient drying methods. The study investigated the effect of temperature (30-70 °C) on drying kinetics, moisture diffusivity, and activation energy. Experiments were conducted using adapted solar dryers. The Midilli model provided the best data approximation with high accuracy (R2 = 0.9948-0.9995). Effective moisture diffusivity ranged from 1.33 х 10^ m2/s to 4.83 х 10^ m2/s, and the activation energy was 26.05 kJ/mol. The results confirm the efficiency of solar drying in enhancing the stability and preservation of plantain leaves. The proposed approach facilitates the development of energy-efficient systems for processing medicinal plants in regions with high solar radiation.
Ключевые слова: подорожник, солнечная сушка, кинетика сушки, эффективная влагопроводность, энергия активации, климат Ташкента.
Keywords: Plantago, solar drying, drying kinetics, effective moisture diffusivity, activation energy, Tashkent climate.
Введение. Подорожник (Р1аП^о) — это универсальное лекарственное растение, известное своими многочисленными лечебными свойствами, включая противовоспалительное, антимикробное и ранозаживляющее действие. Благодаря высокому содержанию биоактивных соединений, таких как флавоноиды, фенольные кислоты и муцилагин, листья подорожника находят широкое применение в традиционной медицине и фармацевтике. Тем не менее, высокая влажность свежесобранных листьев подорожника значительно ограничивает их срок хранения, что приводит к быстрой порче и потере полезных свойств.
Сушка представляет собой один из самых древних и эффективных методов консервирования сельскохозяйственных продуктов, направленный на снижение уровня влажности. Среди различных методов сушки солнечная сушка выделяется своей экологической чистотой и энергоэффективностью. Особенно актуальной солнечная сушка становится для регионов с благоприятными климатическими условиями, таких как Ташкент, где высокий уровень солнечной радиации и низкая влажность воздуха создают идеальные условия для её применения.
Несмотря на очевидные преимущества солнечной сушки, важно учитывать, что скорость сушки, сохранение биоактивных соединений и стабильность конечного продукта зависят от температурного режима и других параметров процесса. Исследование кинетики сушки, а также изучение таких характеристик, как эффективная влагопровод-ность и энергия активации, позволяют оптимизировать процесс сушки и обеспечить высокое качество продукта.
Имитационное моделирование процесса сушки используется для того, чтобы помочь инженерам разрабатывать новые идеи или конструкции, улучшать существующие системы сушки и прогнозировать производительность системы, например, поток воздуха над продуктом или даже для управления процессом.
Цель данного исследования заключается в динамическом моделировании тонкослойной сушки листьев подорожника с использованием солнечных сушилок, а также в оценке влияния различных температурных режимов на процесс сушки. Полученные результаты позволят разработать рекомендации для проектирования энергоэффективных сушильных систем, адаптированных к климатическим условиям Ташкента.
2. Материалы и методы
2.1. Подготовка сырья
Для эксперимента использовались свежие листья подорожника (Plantago), собранные на местных фермах в окрестностях Ташкента. Листья тщательно промывали для удаления загрязнений и нарезали на равномерные секции размером 10 х 10 см. Перед началом сушки образцы хранили в холодильнике при температуре 4 °С в течение 24 часов для стабилизации исходного содержания влаги.
2.2 Описание солнечной сушилки
Эксперименты проводились в солнечной сушилке, состоящей из следующих компонентов:
Солнечный коллектор площадью 2 м2, обеспечивающий нагрев воздуха.
Сушильная камера размером 1 м х 0,5 м х 1 м для размещения образцов.
№ 1 (130)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
январь, 2025 г.
Циркуляционный вентилятор для равномерного распределения горячего воздуха.
Датчики температуры и влажности для контроля условий внутри сушилки.
Температура в сушилке регулировалась в диапазоне 30-70 °С, что соответствует климатическим
особенностям Ташкента, где солнечная радиация достигает 5,4 кВтч/м2 в день.
2.3 Математическое моделирование Кинетика сушки описывалась с использованием нескольких математических моделей тонкослойной сушки:
Таблица 1.
Значения
№ Название моделей Уравнений
1 Ньютон W=exp(-kt)
2 Пейдж W=exp(-ktn)
3 Модифицированная Пейдж (I) W=exp((-kt)n)
4 Модифицированная Пейдж (II) W=exp(-(kt)n)
5 Хендерсон и Пабис W=aexp(-kt)
6 Логарифмический W=aexp(-kt) +c
7 Двухчленные W=aexp(-k0t) +bexp(-k1t)
8 Два экспоненциальных члена W=aexp(-kt)+(1-a)exp(-kat)
9 Ван и Сингх W=1+at+bt2
10 Диффузионное аппроксимация W=aexp(-kt)+(1-a)exp(-kbt)
11 Модифицированы Хендерсон и Пабис W=aexp(-kt)+bexp(-gt)+ cexp(-ht)
12 Верма и др. W=aexp(-kt)+(1-a)exp(-gt)
13 Мидилли W=aexp(-kf) +bt
3. Результаты и обсуждение 3.1 Характеристики сушки
Результаты экспериментов показали, что время сушки листьев подорожника значительно сокращалось с увеличением температуры. При температуре 30 °С процесс сушки завершался за 300 минут, тогда как при 70 °С это время сокращалось до 120 минут. Анализ кривых отношения влаги (МЯ) от времени показал,
что основная часть процесса протекала в фазе падающей скорости, что характерно для большинства растительных материалов.
Графики скорости сушки также подтвердили влияние температуры: с увеличением температуры скорость влагоудаления возрастала, что связано с повышением диффузионной способности воды в материале.
Зависимость от времени при различных температурах
Рисунок 1. Изменение отношения влаги (MR) во времени для каждой температуры
№ 1 (130)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
январь, 2025 г.
-19 f
Зависимость ln(Dgff) от 1/T
®—Данные
-Линейная аппроксимация
2.9 2.95 3 3.05 3.1 3.15 3.2 3.25 3.3 3.35
1/T (1/К)
x 10
-3
Рисунок 2. Логарифмическую зависимость влагопроводности от обратной температуры (1/Г) и позволяет
определить энергию активации (1п(Р<.й))
3.2 Оценка математических моделей Для описания кинетики сушки использовались модели Хендерсона и Пабиса, Пейджа и Мидилли. Наилучшие результаты продемонстрировала модель Мидилли, которая обеспечила высокие значения коэффициента детерминации (R2) и низкие значения RMSE и SSE.
Модель R2 RMSE SSE
Хендерсона и Пабиса 0.9815 0.0324 0.0543
Пейджа 0.9932 0.0217 0.0348
Мидилли 0.9995 0.0163 0.0187
Модель Мидилли наиболее точно описывает процесс сушки, включая как начальные, так и завершающие этапы. Это подтверждает её универсальность и пригодность для прогнозирования сушки листьев подорожника.
Энергия активации, рассчитанная на основе уравнения Аррениуса, составила 26,05 кДж/моль. Это значение находится в пределах, характерных для сушки растительных материалов, и указывает на высокую зависимость процесса от температуры.
Солнечная радиация в Ташкенте, достигающая 5,4 кВтч/м2 в день, в сочетании с умеренной относительной влажностью воздуха (40-60%) создала благоприятные условия для сушки. Влияние этих факторов проявилось в высокой скорости процесса и равномерности сушки, что подтверждает эффективность использования солнечных сушилок в данном регионе.
Выводы
В ходе исследования были проанализированы процессы тонкослойной сушки листьев подорожника (Plantago) в условиях солнечной сушилки, характерных для климата города Ташкент. Полученные результаты позволили сделать следующие выводы:
Температурное влияние на сушку: Увеличение температуры с 30 до 70 °С значительно сокращает время сушки. При 30 °С процесс завершался за 300 минут, а при 70 °С — за 120 минут. Это обусловлено ускорением молекулярного движения воды внутри материала при повышении температуры.
Кинетика сушки и модели: Среди рассмотренных математических моделей (Хендерсона и Пабиса, Пейджа, Мидилли) наилучшие результаты показала модель Мидилли. Она наиболее точно описывает кинетику сушки, обеспечивая максимальный коэффициент детерминации (Д2 > 0,9995) и минимальные значения ЯМБЕ. Преимущества солнечной сушки: Солнечная сушка демонстрирует высокую энергоэффективность, экологическую устойчивость и экономическую рентабельность в условиях Ташкента, благодаря высокой солнечной радиации и умеренной влажности воздуха. Практическая значимость Полученные данные могут быть использованы для оптимизации режимов сушки подорожника в промышленном масштабе.
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Разработанная методика позволяет проектировать энергоэффективные солнечные сушилки, обеспечивающие сохранение биоактивных соединений в высушенных листьях.
Настоящее исследование показало, что тонкослойная солнечная сушка является эффективным, экологически устойчивым и экономически выгод-
январь, 2025 г.
ным методом обработки листьев подорожника. Оптимальные параметры, такие как температурный режим, модель сушки и влагопроводность, могут быть применены для проектирования сушильных систем, адаптированных к местным климатическим условиям.
Список литературы:
1. Doymaz, i. (2012). Thin-layer drying characteristics of medicinal and aromatic plants: A review. Journal of Medicinal Plants Research, 6(30), 4523-4534. doi:10.5897/JMPR11.1531.
2. Haydary, J., Royen, M.J., & Noori, A.W. (2024). Process conditions sensitive (PCS) thin-layer mathematical model of hot air convective drying. Chemical Engineering Communications, 211(1), 133-145.
3. Meda, V., & Ratti, C. (2005). Dynamic modeling of solar drying of medicinal plants. Drying Technology, 23(3), 781-804. doi:10.1081/DRT-200054201.
4. Noori, A.W., Royen, M.J., & Haydary, J. (2019). An active indirect solar system for food products drying. Acta Chimica Slovaca, 12(1), 142-149.
5. Noori, A.W., Royen, M.J., Medved'ova, A., & Haydary, J. (2022). Drying of Food Waste for Potential Use as Animal Feed. Sustainability, 14(10), 5849. https://doi.org/10.3390/su14105849.
6. Noori, A.W., Royen, M.J., & Haydary, J. (2021). Thin-layer mathematical modeling of apple slices drying, using open sun and cabinet solar drying methods. International Journal of Innovative Research and Scientific Studies, 4(2), 43-52.
7. Rejabov S., Usmonov B., Usmanov K., Artikov A. Experimental Comparison of Open Sun and Indirect Convection Solar Drying Methods for Apricots in Uzbekistan // Engineering Proceedings. - 2024. - № 67(1). - С. 26. https://doi.org/10.3390/engproc2024067026.
8. Rejabov S., Usmonov B.Sh., Artikov A., Usmanov K. Mathematical Modelling of the Solar Drying of Apricot // Chemical Technology, Control and Management. - Vol. 2024. - Iss. 4. - Article 7. DOI: https://doi.org/10.59048/2181-1105.1604.
9. Rejabov S.A., Usmonov B.Sh., Usmanov K.I., Artikov A.A. (2024). Noqat'iy mantiq asosida bilvosita quyosh quritgichlarining harorat dinamikasini bashorat qilish. Илм-фан ва инновацион ривожланиш // Наука и инновационное развитие. - № 7 (5). - С. 8-18.
10. Sultanova S.A., Usmanov K.I. Dorivor o'simliklarni gelioquritish qurilmasida quritish jarayonini matematik modellashtirish. Илм-фан ва инновацион ривожланиш // Наука и инновационное развитие. - № 7 (4). - 2024. - Рр. 8-14.
11. Моделирование сушки лекарственных растений на шкафной гелиосушилке // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. Усманов К.И. [и др.]. 2024. 12(129). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/18979.
12. Султанова Ш.А., Усманов К.И., Унгбаева Д.У., Таджибаева Д.А. Разработка адаптивных нейро-нечетких моделей для прогнозирования производительности солнечной сушилки // Universum: технические науки. -2024. - № 5(122). - С. 5-9. doi: 10.32743/UniTech.2024.122.5.17503
