From Chemistry Towards Technology Step-By-Step From Chemistry Towards Technology Step-By-Step От химии к технологии шаг за шагом 2782-1900 82923 10.52957/27821900_2021_02_89 Научные статьи Scientific articles Научные статьи Laboratory and semi-industrial ultrasonic dryers Лабораторная и полупромышленные ультразвуковые сушилки https://orcid.org/0000-0002-6989-9769 Терентьев Сергей А. Terentiev Sergey A. sergey@bti.secna.ru https://orcid.org/0000-0002-5299-9931 Шалунов Андрей Викторович Shalunov Andrey V. https://orcid.org/0000-0001-7089-3578 Хмелев Владимир Николаевич Khmelev Vladimir N. https://orcid.org/0000-0002-6140-5699 Нестеров Виктор Александрович Nesterov Viktor A. https://orcid.org/0000-0002-7708-0665 Голых Роман Николаевич Golykh Roman N. Бийский технологический институт (филиал) ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» Бийск Россия Biysk Technological Institute (branch) of the Altay State Technical University Biysk Russian Federation Бийский технологический институт (филиал) ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» Бийск Россия Biysk Technological Institute (branch) of the Altay State Technical University Biysk Russian Federation Бийский технологический институт (филиал) ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» Бийск Россия Biysk Technological Institute (branch) of the Altay State Technical University Biysk Russian Federation Бийский технологический институт (филиал) ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» Бийск Россия Biysk Technological Institute (branch) of the Altay State Technical University Biysk Russian Federation Бийский технологический институт (филиал) ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» Бийск Россия Biysk Technological Institute (branch) of the Altay State Technical University Biysk Russian Federation 23 06 2021 23 06 2021 2 2 89 97 04 05 2021 08 06 2021 https://chemintech.ru/en/nauka/article/82923/view

В статье рассматривается процесс конвективной сушки материалов на примере картофеля при температуре 60 С. Для интенсификации сушки добавлялось бесконтактное ультразвуковое воздействие с различными уровнями звукового давления в диапазоне 130–175 дБ. Ультразвуковое воздействие 175 дБ позволило сократить время сушки картофеля на 57,1% по сравнению с конвективной сушкой. Начиная с уровня звукового давления 150 дБ, было отмечено скачкообразное изменение скорости сушки на начальном этапе (при высоком влагосодержании). Это позволило сделать предположение о том, что запускается механизм обезвоживания материала без фазового перехода, то есть за счет диспергирования влаги с поверхности высушиваемого материала. Для подтверждения механизма диспергирования было проведено улавливание капель воды на предметное стекло с иммерсионной жидкостью. При этом отмечалось, что с уменьшением влагосодержания материала также уменьшалось количество диспергированных капель. Оптимальным уровнем звукового давления с точки зрения сокращения времени сушки и потребляемой энергии является диапазон 160–165 дБ. Для увеличения массы одновременно высушиваемого материала были предложены две конструкции сушильных установок барабанного типа. Ультразвуковая сушка (160–165 дБ) картофеля в виде кубиков в предложенных установках осуществлялась на 45–47% быстрее, чем при конвективной сушке.

The paper deals with the process of convective drying of materials using potatoes as an example at 60 C. To intensify the drying process, non-contact ultrasound with different acoustic pressure levels in the range 130-175 dB was applied. Ultrasonic drying at175 dB reduced the drying time of potatoes by 57.1%to compare with the convection drying. We observed a step change of drying speed during the initial phase (at high moisture content) at acoustic pressure level of 150 dB. It allows to predict the activation of dehydration mechanism without a phase change, i.e., by dispersing moisture from the surface of the material to be dried. To verify the dispersion mechanism, we captured water droplets with the immersion liquid slide. The number of dispersed droplets decreased along with decreasing of material moisture content. The optimum of acoustic pressure level is 160-165 dB range in terms of reduced drying time and energy consumption. Two drum-type dryer designs have been proposed to increase the mass of material being dried at the same time. Ultrasonic drying (160-165 dB) of diced potatoes by these units was 45-47% faster than convection drying.

 уровень звукового давления сушка диспергирование ультразвуковая сушилка кривая сушки acoustic pressure level drying dispersing ultrasonic dryer drying curve

Верболоз Е.И., Иванова М.А., Демченко В.А., Фартуков С., Евона Н.К. Исследование процесса сушки шиповника в поле действия ультразвука. Техника и технология пищевых производств. 2020. Т. 50, № 1. С. 79–86. Verboloz E.I., Ivanova M.A., Demchenko V.A., Fartukov S., Evona N.K. Issledovanie processa sushki shipovnika v pole deystviya ul'trazvuka. Tehnika i tehnologiya pischevyh proizvodstv. 2020. T. 50, № 1. S. 79–86. Gallego-Juarez J. A., Riera E., Blanco S. D. F., Rodriguez-Corral G., Acosta-Aparicio V. M., Blanco A. Application of High-Power Ultrasound for Dehydration of Vegetable: Processes and Devices. Drying Technology. 2007. Vol. 25(11). Р. 1893–1901. DOI: 10.1080/07373930701677371 Gallego-Juarez J. A., Riera E., Blanco S. D. F., Rodriguez-Corral G., Acosta-Aparicio V. M., Blanco A. Application of High-Power Ultrasound for Dehydration of Vegetable: Processes and Devices. Drying Technology. 2007. Vol. 25(11). R. 1893–1901. DOI: 10.1080/07373930701677371 Fairbank H.V. Applying ultrasound to continuous drying process. Ultrasonic International I975 Conference Proceedings. Guildford, UK: IPC Science and Technology Press Ltd, 1975. P. 43-45. Fairbank H.V. Applying ultrasound to continuous drying process. Ultrasonic International I975 Conference Proceedings. Guildford, UK: IPC Science and Technology Press Ltd, 1975. P. 43-45. Szadzińska J., Mierzwa D., Pawłowski A., Musielak G., Pashminehazar R., Kharaghani A. Ultrasound- and microwave-assisted intermittent drying of red beetroot. Drying Technology. 2020. Vol. 38. Iss. 1-2. Р. 93–107. URL: https://doi.org/10.1080/07373937.2019.1624565 Szadzińska J., Mierzwa D., Pawłowski A., Musielak G., Pashminehazar R., Kharaghani A. Ultrasound- and microwave-assisted intermittent drying of red beetroot. Drying Technology. 2020. Vol. 38. Iss. 1-2. R. 93–107. URL: https://doi.org/10.1080/07373937.2019.1624565 Kowalski S. J. Ultrasound in wet materials subjected to drying: A modeling study. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2015. Vol. 84. May. Р. 998–1007. URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.01.086 Kowalski S. J. Ultrasound in wet materials subjected to drying: A modeling study. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2015. Vol. 84. May. R. 998–1007. URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.01.086 Baslar M., Toker O.S., Karasu S., Tekin Z.H., Yildirim B.H. Ultrasonic applications for food dehydration. Handbook of Ultrasonics and Sonochemistry. 2016. P. 1247–1270. DOI:10.1007/978-981-287-470-2_64-1 Baslar M., Toker O.S., Karasu S., Tekin Z.H., Yildirim B.H. Ultrasonic applications for food dehydration. Handbook of Ultrasonics and Sonochemistry. 2016. P. 1247–1270. DOI:10.1007/978-981-287-470-2_64-1 Gallego-Juárez J.A., Rodriguez G., Acosta V., Riera E. Power ultrasonic transducers with extensive radiators for industrial processing. Ultrasonics Sonochemistry. 2010. Vol. 17. N 6. P. 953–964. DOI:10.1016/j.ultsonch.2009.11.006 Gallego-Juárez J.A., Rodriguez G., Acosta V., Riera E. Power ultrasonic transducers with extensive radiators for industrial processing. Ultrasonics Sonochemistry. 2010. Vol. 17. N 6. P. 953–964. DOI:10.1016/j.ultsonch.2009.11.006 Bantle M., Eikevik T.M. A study of the energy efficiency of convective drying systems assisted by ultrasound in the production of clipfish. J. Clean. Prod. 2014. Vol. 65. P. 217–223. DOI:10.1016/j.jclepro.2013.07.016 Bantle M., Eikevik T.M. A study of the energy efficiency of convective drying systems assisted by ultrasound in the production of clipfish. J. Clean. Prod. 2014. Vol. 65. P. 217–223. DOI:10.1016/j.jclepro.2013.07.016 Beck S.M., Sabarez H., Gaukel V., Knoerzer K. Enhancement of convective drying by application of airborne ultrasound – a response surface approach. Ultrason. Sonochem. 2014. Vol. 21. N 6. P. 2144–2150. URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.ultsonch.2014.02.013 Beck S.M., Sabarez H., Gaukel V., Knoerzer K. Enhancement of convective drying by application of airborne ultrasound – a response surface approach. Ultrason. Sonochem. 2014. Vol. 21. N 6. P. 2144–2150. URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.ultsonch.2014.02.013 Розенберг Л. Д. Физика и техника мощного ультразвука. В 3 кн. / АН СССР. Акустический ин-т. Москва: Наука, 1967-1970. Rozenberg L. D. Fizika i tehnika moschnogo ul'trazvuka. V 3 kn. / AN SSSR. Akusticheskiy in-t. Moskva: Nauka, 1967-1970. Rieara E., Gallego-Juarez J.A., Corral G.R., Aparicio V. M.A., Gallego E.A. Application of high-power ultrasound for drying vegetables. 2002. Oct. P. 143-148. URL: https://www.researchgate.net/publication/39397817_Application_of_high-power_ultrasound_for_drying_vegetables Rieara E., Gallego-Juarez J.A., Corral G.R., Aparicio V. M.A., Gallego E.A. Application of high-power ultrasound for drying vegetables. 2002. Oct. P. 143-148. URL: https://www.researchgate.net/publication/39397817_Application_of_high-power_ultrasound_for_drying_vegetables Liu Y., Sun Y., Yu H., Yin Y., Li X., Duan X. Hot Air Drying of Purple-Fleshed Sweet Potato with Contact Ultrasound Assistance. Drying Technol. 2017. Vol. 35. N 5. P. 564–576. URL: http://dx.doi.org/10.1080/07373937.2016.1193867 Liu Y., Sun Y., Yu H., Yin Y., Li X., Duan X. Hot Air Drying of Purple-Fleshed Sweet Potato with Contact Ultrasound Assistance. Drying Technol. 2017. Vol. 35. N 5. P. 564–576. URL: http://dx.doi.org/10.1080/07373937.2016.1193867 Schössler K., Jäger H., Knorr D. Effect of continuous and intermittent ultrasound on drying time and effective diffusivity during convective drying of apple and red bell pepper J. Food Eng. 2012. Vol. 108. N 1. P. 103–110. DOI:10.1016/j.ifset.2012.05.010 Schössler K., Jäger H., Knorr D. Effect of continuous and intermittent ultrasound on drying time and effective diffusivity during convective drying of apple and red bell pepper J. Food Eng. 2012. Vol. 108. N 1. P. 103–110. DOI:10.1016/j.ifset.2012.05.010 Gallego-Juarez J.A., Rodriguez-Corra G., Galvez-Moraleda J.C., Yang T.S. A new high intensity ultrasonic technology for food dehydration. Drying Technology. 1999. Vol. 17(3). P. 597–608. URL: http://dx.doi.org/10.1080/07373939908917555 Gallego-Juarez J.A., Rodriguez-Corra G., Galvez-Moraleda J.C., Yang T.S. A new high intensity ultrasonic technology for food dehydration. Drying Technology. 1999. Vol. 17(3). P. 597–608. URL: http://dx.doi.org/10.1080/07373939908917555 Khmelev V.N., Shalunov A.V., Nesterov V.A. Summation of high-frequency Langevin transducers vibrations for increasing of ultrasonic radiator power. Ultrasonics. 2021. Vol. 114. 106413 Khmelev V.N., Shalunov A.V., Nesterov V.A. Summation of high-frequency Langevin transducers vibrations for increasing of ultrasonic radiator power. Ultrasonics. 2021. Vol. 114. 106413 Khmelev V.N., Shalunov A.V., Nesterov V.A. Ultrasonic transducer with increased exposure power and frequency up to 100 kHz. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2021. Vol. 68, Iss. 5. P. 1773-1782. DOI:10.1109/TUFFC.2020.3029159 Khmelev V.N., Shalunov A.V., Nesterov V.A. Ultrasonic transducer with increased exposure power and frequency up to 100 kHz. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2021. Vol. 68, Iss. 5. P. 1773-1782. DOI:10.1109/TUFFC.2020.3029159 Khmelev V.N., Shalunov A.V., Barsukov R.V., Abramenko D.S., LebedevA.N.Studies of ultrasonic dehydration efficiency. Journal of Zhejiang University SCIENCE A (Applied Physics & Engineering). 2011. Vol. 12. N 4. P. 247–354. DOI:10.1631/jzus.A1000155 Khmelev V.N., Shalunov A.V., Barsukov R.V., Abramenko D.S., LebedevA.N.Studies of ultrasonic dehydration efficiency. Journal of Zhejiang University SCIENCE A (Applied Physics & Engineering). 2011. Vol. 12. N 4. P. 247–354. DOI:10.1631/jzus.A1000155 Верболоз Е.И., Николюк О.И. Применение ультразвука при сушке макаронных изделий с белковыми добавками. Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2017. Т. 79, № 1(71). С. 50–54. Verboloz E.I., Nikolyuk O.I. Primenenie ul'trazvuka pri sushke makaronnyh izdeliy s belkovymi dobavkami. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernyh tehnologiy. 2017. T. 79, № 1(71). S. 50–54. Юдин А.В., Верболоз Е.И. Эффективность сушки кипрей-чая с применением ультразвука. Альманах научных работ молодых ученых Университета ИТМО: Материалы XLVI научной и учебно-методической конференции. Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, 2017. С. 332–335. Yudin A.V., Verboloz E.I. Effektivnost' sushki kiprey-chaya s primeneniem ul'trazvuka. Al'manah nauchnyh rabot molodyh uchenyh Universiteta ITMO: Materialy XLVI nauchnoy i uchebno-metodicheskoy konferencii. Sankt-Peterburg: Sankt-Peterburgskiy nacional'nyy issledovatel'skiy universitet informacionnyh tehnologiy, mehaniki i optiki, 2017. S. 332–335. Марущак А.С., Жерносек С.В., Ольшанский В.И. Влияние акустических колебаний ультразвукового диапазона на прочностные свойства текстильных материалов в процессах сушки. Вестник Витебского государственного технологического университета. 2019. № 2 (37), С. 44–51. Maruschak A.S., Zhernosek S.V., Ol'shanskiy V.I. Vliyanie akusticheskih kolebaniy ul'trazvukovogo diapazona na prochnostnye svoystva tekstil'nyh materialov v processah sushki. Vestnik Vitebskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta. 2019. № 2 (37), S. 44–51. Хмелев В.Н., Шалунов А.В., Хмелев М.В., Нестеров В.А., Тертишников П.П., Цыганок С.Н. Патент на ПМ RU 195247 U1. 2020. Hmelev V.N., Shalunov A.V., Hmelev M.V., Nesterov V.A., Tertishnikov P.P., Cyganok S.N. Patent na PM RU 195247 U1. 2020.