CC BY
1
DOI - 10.32743/UniTech.2024.129.12.18979
МОДЕЛИРОВАНИЕ СУШКИ ЛЕКАРСТВЕННЫХ РАСТЕНИИ НА ШКАФНОЙ ГЕЛИОСУШИЛКЕ
Усманов Комил Исроилович
зав. кафедрой «Автоматизация и цифровое управление» , Ташкентского химико-технологического института, Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: _ [email protected]
Исламова Фарида Камилджановна
ст. преподаватель кафедры «Автоматизация и цифровое управление», Ташкентского химико-технологического института, Республика Узбекистан, г. Ташкент,
Режабов Сарвар Абдурасулович
базовый докторант кафедры «Автоматизация и цифровое управление» Ташкентского химико-технологического института, Республика Узбекистан, г. Ташкент,
Жабборов Алишер Олтибоевич
ст. преподаватель кафедры «Автоматизация и цифровое управление», Ташкентского химико-технологического института, Республика Узбекистан, г. Ташкент
MODELING THE DRYING OF MEDICINAL PLANTS IN A CABINET SOLAR DRYER
Komil Usmanov
Head of department "Automation and digital control" of the Tashkent chemical-technological institute,
Uzbekistan, Tashkent
Farida Islamova
Senior lecturer
of department Automation and digital control of the Tashkent chemical-technological institute,
Uzbekistan, Tashkent
Sarvar Rejabov
Base doctoral student of department Automation and digital control of the Tashkent chemical-technological institute,
Uzbekistan, Tashkent
Alisher Jabborov
Senior lecturer
of department Automation and digital control, of the Tashkent chemical-technological institute,
Uzbekistan, Tashkent
Библиографическое описание: 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
A UNIVERSUM:
№ 12 (129)_¿Л ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_декабрь. 2024 г.
АННОТАЦИЯ
Солнечные сушилки обеспечивают эффективный и экологически чистый метод сохранения сельскохозяйственной продукции, включая лекарственные растения, путем удаления избыточной влаги. В данной статье представлено комплексное моделирование процесса сушки в солнечной сушилке шкафного типа, в котором в качестве примера рассматривается Plantago (подорожник). Рассматриваются такие ключевые аспекты, как использование солнечных коллекторов, динамика воздушного потока и механизмы тепло- и массопереноса. Математические модели, разработанные в MATLAB/Simulink, описывают динамику сушки и позволяют оптимизировать рабочие условия. Результаты указывают на значительный потенциал для повышения эффективности сушки при сохранении качества продукции. Это исследование вносит вклад в разработку устойчивых технологий сушки для сельскохозяйственных применений.
ABSTRACT
Solar dryers provide an efficient and eco-friendly method for preserving agricultural products, including medicinal plants, by removing excess moisture. This paper presents a comprehensive modeling study of the drying process in a cabinet solar dryer, focusing on Plantago (plantain) as a case study. Key aspects such as the use of solar collectors, airflow dynamics, and heat and mass transfer mechanisms are examined. Mathematical models developed in MATLAB/Simulink describe drying dynamics and enable optimization of operating conditions. The results indicate significant potential for enhancing drying efficiency while maintaining product quality. This study contributes to the development of sustainable drying technologies for agricultural applications.
Ключевые слова: шкафная солнечная сушилка, лекарственные растения, MATLAB/Simulink, моделирование сушки, возобновляемые источники энергии.
Keywords: cabinet solar dryer, medicinal plants, MATLAB/Simulink, drying modeling, renewable energy.
Введение. Сушка является основополагающим процессом в сельском хозяйстве, направленным на снижение содержания влаги до безопасного уровня для хранения, транспортировки и потребления. Этот процесс особенно важен для лекарственных растений, где сохранение биологически активных соединений во время его действия имеет решающее значение для сохранения терапевтических свойств трав. Традиционные методы сушки, такие как сушка на открытом воздухе и механические сушилки, часто создают проблемы, включая неравномерную сушку, загрязнение, деградацию питательных веществ и высокие затраты на электроэнергию.
Солнечная сушка предлагает многообещающую альтернативу, которая является как экономически эффективной, так и экологически чистой. Она использует солнечную энергию в качестве основного источника тепла, что делает ее устойчивой и подходящей для регионов с обильным солнечным светом. Однако эффективность систем солнечной сушки во многом зависит от их конструкции, эксплуатационных параметров и условий окружающей среды. Солнечные сушилки шкафного типа с их закрытыми конструкциями и контролируемым потоком воздуха обеспечивают более надежное решение по сравнению с традиционными методами сушки на открытом воздухе.
Лекарственные растения, такие как Plantago (подорожник), широко используются из-за их терапевтических преимуществ и требуют тщательной обработки для сохранения активных ингредиентов. Неправильная сушка может привести к потере эфирных масел, пигментов и других ценных соединений. Таким образом, понимание кинетики сушки и оптимизация условий сушки имеют важное значение для обеспечения высококачественных конечных продуктов.
Математическое моделирование и имитация играют решающую роль в анализе и оптимизации
процесса сушки. Интегрируя принципы тепло- и массопереноса, эти модели помогают прогнозировать поведение сушки в различных условиях, что позволяет проектировать более эффективные сушильные системы. Целью данного исследования является разработка комплексной модели сушки подорожника в солнечной сушилке шкафного типа с использованием MATLAB/Simulink для моделирования и проверки. Полученные в ходе данного исследования знания будут способствовать более широкому внедрению технологий солнечной сушки в сельском хозяйстве и обработке лекарственных растений.
Материалы и методы
Описание шкафа солнечной сушилки
Шкаф солнечной сушилки, используемый в этом исследовании, состоит из трех основных компонентов: солнечного коллектора, сушильной камеры и вентиляционной системы. Солнечный коллектор предназначен для поглощения солнечного излучения и преобразования его в тепловую энергию. Он сконструирован с прозрачной стеклянной крышкой, зачерненной поглощающей пластиной и изоляцией для минимизации потерь тепла. Сушильная камера представляет собой изолированную оболочку, содержащую несколько лотков для размещения образцов подорожника. Вентиляционная система обеспечивает непрерывный поток воздуха через камеру для повышения равномерности сушки.
Образцы подорожника были подготовлены путем промывания и нарезки листьев на одинаковые размеры для обеспечения равномерной сушки. Начальное содержание влаги определялось с использованием стандартного метода сушки в печи. Температура и относительная влажность в сушильной камере контролировались с помощью цифровых датчиков, а скорость воздушного потока регулировалась регулируемым вентилятором.
Математическое моделирование
Процесс сушки анализировался с использованием комбинации моделей тепло- и массопереноса. В структуру моделирования были включены следующие компоненты:
Модель солнечного коллектора:
Энергия, поглощаемая солнечным коллектором, рассчитывалась с помощью уравнения:
Qвход = V • Акол. • £ Q
потери
(1)
где Qeход —поглощенная тепловая энергия, G -солнечная радиация (Вт/м2), А(КоЛ.) — площадь коллектора (м2), Qпотери - потери тепла из коллектора (Вт), П — эффективность коллектора.
Динамика воздушного потока:
Скорость воздушного потока моделировалась для определения массового расхода воздуха через сушильную камеру:
™ • Ь = рн • Ан • ^
(2)
где т •- массовый расход (кг/с), рь - плотность воздуха (кг/м2), Уь — скорость воздуха (м/с), Аь - площадь поперечного сечения пути воздушного потока (м2).
Динамика удаления влаги:
Скорость удаления влаги из материала описывалась с помощью следующего уравнения:
2Е=-к<М- Мщ)
(3)
где М — влажность (кг воды/кг сухого вещества), Меч — равновесная влажность, к — константа скорости сушки (с), £ — время (с).
Модель теплопередачи:
Скорость теплопередачи моделировалась следующим образом:
Q
воздуха
= тк • ср • АТ
(4)
ТО
&
| 0 .160 |—
I 0.002 "
где @воздуха - количество тепла, переданного воздуху (Вт), тн - массовый расход воздуха (кг/с), ср - удельная теплоёмкость воздуха (Дж/(кг К)), АТ - изменение температуры воздуха (К).
Структура моделирования
Математические модели были реализованы в МАТЬАБ^тиИпк для динамического моделирования. Входные параметры, такие как солнечное излучение, начальное содержание влаги, скорость воздушного потока и условия окружающей среды, варьировались для оценки их влияния на эффективность сушки. Экспериментальная проверка проводилась путем сравнения результатов моделирования с данными, собранными в ходе экспериментов с прототипами.
Эта модель обеспечивает детальное моделирование солнечной сушилки, учитывая солнечное излучение, воздушный поток, процесс сушки и теплопередачу. Собранная модель позволяет анализировать и оптимизировать процесс сушки для различных условий.
Результаты:
Динамика сушки
Результаты моделирования (рис. 1) демонстрируют последовательное снижение содержания влаги с течением времени. Основные наблюдения включают в себя:
• Более высокие скорости сушки при более высоких скоростях воздушного потока и интенсивности солнечного излучения.
• Равновесное содержание влаги достигалось в течение 6-8 часов при оптимальных условиях.
Профили температуры и влажности
Профили температуры: температура в камере демонстрировала стабильные изменения в зависимости от интенсивности солнечного излучения. Влажность: начальное содержание влаги в образцах подорожника снизилось с 75 % до 10 % во время цикла сушки.
Солнечное излучение
Солнечная камера
0.ВЗС7|
5131
0.аа55£|
Рисунок 1. Компьютерная модель процесса гелиосушка подорожника
Анализ эффективности
Эффективность сушилки оценивалась на основе использования тепловой энергии и качества продукта. Оптимизированная сушилка достигла эффективности
сушки 80 % с минимальной деградацией биологически активных соединений в подорожнике.
На рисунке 2 показана равновесная температура (синим цветом), влажность материала (черный), тепература высушиваемого материала (красный).
Время (секунд) х 104
Рисунок 2. Изменение параметров процесса при гелиосушки подорожника
Выводы
В данном исследовании подчеркивается эффективность применения солнечных сушилок в шкафах как устойчивого и успешного решения для сушки лекарственных растений. Интеграция математического моделирования и экспериментальной проверки обеспечивает надежную основу для понимания и оптимизации процесса сушки. Основные выводы включают в себя:
• Солнечная сушилка в шкафах продемонстрировала высокую эффективность сушки, при этом снижение содержания влаги с 75 % до 10 % достигалось в течение 6-8 часов при оптимальных условиях. На рисунке 2 данный показатель обозначен посредством снижения кривой от 70 до 18 % , при условии оси влажности расположенной слева.
• Использование математических моделей позволило точно предсказать динамику сушки, включая
скорость удаления влаги и использование тепловой энергии. Экспериментальная проверка подтвердила надежность моделируемой структуры, подчеркнув ее применимость в различных климатических условиях. Сохранение биоактивных соединений в подорожнике предполагает, что солнечные сушилки в шкафах могут эффективно поддерживать качество лекарственных растений. Будущие исследования должны быть направлены на масштабирование технологии для промышленного использования, включая системы хранения возобновляемой энергии для повышения надежности в периоды низкого солнечного излучения. Кроме того, современные материалы и инновационные конструкции могут дополнительно повысить эффективность и экономичность систем солнечной сушки. Благодаря внедрению таких достижений солнечная сушка может сыграть ключевую роль в устойчивых методах ведения сельского хозяйства и мировой индустрии лекарственных растений.
Список литературы:
1. 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
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
