DOI: https://doi.org/10.32515/2414-3820.2021.51.3-14

Mathematical Model of Heat Pump Cooling System of Material After Drying and Heat Treatment

Boris Kotov, Roman Kalinichenko, Yuri Pantsir, Igor Gerasimchuk, Volodymyr Hryshchenko

About the Authors

Boris Kotov, Professor, Doctor in Technics (Doctor of Technics Sciences), Podillsky State Agrarian and Technical University (PDATU), Kamyanets-Podilsky, Ukraine, ORCID ID: 0000-0001-6369-3025

Roman Kalinichenko, Associate Professor, PhD in Technics (Candidate of Technics Sciences), Separated subdivision of NUBiP of Ukraine «Nizhin Agrotechnical Institute», Nizhin, Ukraine, ORCID ID: 0000-0001-9325-1551

Yuri Pantsir, Associate Professor, PhD in Technics (Candidate of Technics Sciences), State Agrarian and Engineering Universityin Podilya, Kamyanets-Podilsky, Ukraine, ORCID ID: 0000-0003-2969-1936

Igor Gerasimchuk, Associate Professor, PhD in Technics (Candidate of Technics Sciences), State Agrarian and Engineering Universityin Podilya, Kamyanets-Podilsky, Ukraine, ORCID ID: 0000-0002-4304-4447

Volodymyr Hryshchenko, PhD in Technics (Candidate of Technics Sciences), National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, Kiev, Ukraine, ORCID ID: 0000-0001-7789-3650

Abstract

The article considers the issue of increasing the efficiency of coolers of the material heated during drying by using a heat pump unit to produce artificial cold. The scheme of use of a thermal pump in a complex with the drying installation and the portable cooler of material is offered. A mathematical description of the stationary modes of operation of the drying unit, material cooler and heat pump elements on the basis of a steam compressor refrigeration unit is formulated. At creation of physical and mathematical models of heat and mass transfer in the course of drying and cooling of material (grain) the following conditions are accepted simplifying the mathematical description, but without changing real process: moisture from the material is removed according to Dalton's evaporation law, while the moisture in the material evaporates and is removed simultaneously; moisture content and temperature in the volume of the material are evenly distributed, heat and mass transfer occurs only between the surface of the material and the drying agent; the effects of radiation and contact heat transfer are taken into account by heat transfer coefficients; stationary fields of temperature and moisture content are assumed to be one-dimensional, which vary according to the coordinate calculated in the direction of movement of the material; when cooling the moisture removal material is not taken into account for low residual moisture; the size of the surface of the material in the process of drying and cooling does not change; the heat exchange equipment of the heat pump is an object with concentrated parameters. Using the obtained mathematical dependences, graphical dependences of changes in grain and air temperature are constructed, which allow to evaluate the expediency of using a heat pump. The formulated mathematical model of stationary modes of the heat pump drying unit with artificial cooling of the dried material can be used to evaluate the feasibility and energy efficiency of the used refrigeration machines for grain cooling, especially after high-temperature processing. The obtained analytical dependences in the form of a closed system of equations can be used to optimize the parameters of the heat pump drying unit by the criterion of minimizing energy consumption.

Keywords

drying unit, material cooler, heat pump, compressor, condenser, air cooler

Full Text:

PDF

References

Stankevich, G.N., Shapovalenko, O.I., Strahova, T.V., Petrunja, B.M., Jakovenko, A.I. & Ostapchuk, M.V. et al. (1997). Instrukcija po sushke prodovol'stvennogo, kormovogo zerna, semjan maslichnyh kul'tur i jekspluatacii zernosushilok [Instructions for drying food, feed grains, oilseeds and operation of grain dryers]. Odesa: “ARD-LTD” [in Russian].

Kurhans'kyj, O.D. & Kotov, B.I. (2016). Analiz sposobiv okholodzhennia zernovoho materialu [The analysis of the grain material cooling ways]. Tekhnika, enerhetyka, transport APK – Engineering, Energy, Transport AIC, 2(94), 49– 52 [in Ukrainian].

Kotov, B.I., Kalinichenko, R.A. & Kurhans'kyj, O.D. (2017). Teplo i masoobmin pry sushinni i okholodzhenni zernovoho materialu u schil'nomu rukhomomu shari [Heat and mass transfer in drying and cooling]. Tekhnika, enerhetyka, transport APK – Engineering, Energy, Transport AIC, 1, 93–95 [in Ukrainian].

Kotov, B.I., Kalinichenko, R.A., Kurhanskyj, O.D., Stepanenko, S.P. & Shvydia, V.O.. (2016). Teoretychni doslidzhennia protsesu okholodzhennia zernovoho materialu pry peremischenni u vibrovidtsentrovomu shari [Theoretical research the cooling process of grain material when moving in layer vibrocentrifugal]. Konstrujuvannja, vyrobnyctvo ta ekspluatacija silʹsʹkohospodarsʹkyx mashyn – Design, manufacture and operation of agricultural machinery, Vol. 46, 54-60 [in Ukrainian].

Kalinichenko, R.A. & Kotov, B.I. (2018). Matematychne modeliuvannia statsionarnykh rezhymiv ustanovok dlia okholodzhennia i nahrivu dyspersnykh sil's'kohospodars'kykh materialiv [Mathematical modeling of stationary modes of installations for cooling and heating of dispersed agricultural materials]. Mekhanizatsiia ta elektryfikatsiia sil's'koho hospodarstva – Mechanization and electrification of agriculture, Vol. 8, 97–104 [in Ukrainian].

B.I. Kotov, R.A. Kalinichenko, A.V. Rud', S.M. Hrushets'kyj (2021). Vyznachennia shliakhiv pidvyschennia efektyvnosti okholodzhennia zerna pislia susharok i termoobrobok [Increase the efficiency of grain cooling after drying and heat treatment]. Tekhnika, enerhetyka, transport APK – Engineering, Energy, Transport AIC, 2(13), 111– 120 [in Ukrainian].

Altuhova, T.A. & Shuhanov, S.N. (2013). Jeksperimental'nye issledovanija raboty vihrevogo ohladitelja zerna s pomoshh'ju polnofaktornogo jeksperimenta [Experimental studies of the operation of a vortex grain cooler using a full-factorial experiment]. Vestnik AltGAU – Bulletin of AltSPU, 9, 99–102 [in Russian].

Stankevich, G.N., Petrunja, V.N. (2003). Tehnika i tehnologija ispol'zovanija iskusstvenno ohlazhdennogo vozduha v processe hranenija zerna [Technique and technology for the use of artificially cooled air during grain storage]. Hranenie i pererabotka zerna – Storage and processing of grain, 3, 52–53 [in Russian].

Hryschenko, V.O. & Kotov, B.I. (2016). Matematychne modeliuvannia i rozrakhunok dynamichnykh rezhymiv povitrookholodzhuvacha dlia okholodzhennia zerna ta zberihannia [Mathematical modeling and calculation of air coolers dynamic mode cooling grain storage]. Naukovyj visnyk Natsional'noho universytetu bioresursiv i pryrodokorystuvannia Ukrainy. Seriia: Tekhnika ta enerhetyka APK – Scientific Bulletin of the National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine. Series: Engineering and Energy AIC, Vol. 252, 108–114 [in Ukrainian].

Chajchenec, N.S. (1989). Optimal'noe proektirovanie teplonasosnyh sushil'nyh ustanovok [Optimal design of heat pump dryers]. Holodil'naja tehnika – Refrigeration technology, 2, 46–50. [in Russian].

Kotov, B.I., Kalinichenko, R.A. & Lipunov, M.I. (2012). Analitychne vyznachennia dynamichnykh teplovolohisnykh rezhymiv zernosusharok bezperervnoi dii [Analytical dependences for determining the parameters of the drying process at the output of grain dryers]. Konstruiuvannia, vyrobnytstvo ta ekspluatatsiia sil's'kohospodars'kykh mashyn: zahal'noderzh. mizhvid. nauk.-tekhn. zb. – Design, manufacture and operation of agricultural machinery, Vol. 42, part. 2, 17–23 [in Ukrainian].

Amerhanov, R.A. (2003). Optimizacija sel'skohozjajstvennyh jenergeticheskih ustanovok s ispol'zovaniem vozobnovljaemyh vidov jenergii [Optimization of agricultural power plants using renewable energy]. Moskva: Kolos [in Russian].

Nikul'shyn, V.R. & Vysochyn, V.V. (2014). Teplovi nasosy ta kondytsionery [Heat pumps and air conditioners]. O. : Media Art [in Ukrainian].

Hoshtarija, A.G. (1973). Razrabotka i jeksperimental'noe izuchenie processa teplonasosnogo teplosnabzhenija chaefiksacionnyh i chaesushil'nyh agregatov i teplotehnicheskoe issledovanie nizkotemperaturnogo hranenija chajnogo lista [Development and experimental study of the process of heat pump heat supply of tea-fixing and tea-drying units and thermotechnical study of low-temperature storage of tea leaves] : Extended abstract of candidate's theesis. Gruz. politehn. in-t. Tb. [in Russian].

Citations

  1. Инструкция по сушке продовольственного, кормового зерна, семян масличных культур и эксплуатации зерносушилок / Г.Н. Станкевич и др. Одеса: “АРД-ЛТД”, 1997. 72 с.
  2. Курганський О.Д., Котов Б.І. Аналіз способів охолодження зернового матеріалу. Техніка, енергетика, транспорт АПК. 2016. № 2(94). С. 49– 52.
  3. Котов Б.І., Калініченко Р.А., Курганський О.Д. Тепло і масообмін при сушінні і охолодженні зернового матеріалу у щільному рухомому шарі . Техніка, енергетика, транспорт АПК. 2017. № 1. С. 93–95.
  4. Теоретичні дослідження процесу охолодження зернового матеріалу при переміщенні у вібровідцентровому шарі / Б.І. Котов, Р.А. Калініченко, О.Д. Курганский, С.П. Степаненко, В.О. Швидя. Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин: загальнодерж. міжвід. наук.-техн. зб. 2016. Вип. 46. С. 54-60.
  5. Калініченко Р.А., Котов, Б.І. Математичне моделювання стаціонарних режимів установок для охолодження і нагріву дисперсних сільськогосподарських матеріалів. Механізація та електрифікація сільського господарства. 2018. Вип. 8. С. 97– 104.
  6. Визначення шляхів підвищення ефективності охолодження зерна після сушарок і термообробок / Б.І. Котов, Р.А. Калініченко, А.В. Рудь, С.М. Грушецький . Техніка, енергетика, транспорт АПК. 2021. № 2(13). С.111– 120.
  7. Алтухова Т.А., Шуханов, С.Н. Экспериментальные исследования работы вихревого охладителя зерна с помощью полнофакторного эксперимента . Вестник АлтГАУ. 2013. № 9. С.99– 102.
  8. Станкевич Г.Н., Петруня, В.Н. Техника и технология использования искусственно охлажденного воздуха в процессе хранения зерна . Хранение и переработка зерна. 2003. №3. C.52–53.
  9. Грищенко В.О., Котов Б.І. Математичне моделювання і розрахунок динамічних режимів повітроохолоджувача для охолодження зерна та зберігання. Науковий вісник Національного університету біоресурсів і природокористування України. Серія: Техніка та енергетика АПК. 2016. Вип. 252. С. 108–114.
  10. Чайченец Н.С. Оптимальное проектирование теплонасосных сушильных установок . Холодильная техника. 1989. № 2. С.46–50.
  11. Котов Б.І., Калініченко Р.А., Ліпунов М.І. Аналітичне визначення динамічних тепловологісних режимів зерносушарок безперервної дії . Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин: загальнодерж. міжвід. наук.-техн. зб. 2012. Вип. 42, ч. 2. С.17–23.
  12. Амерханов Р.А. Оптимизация сельскохозяйственных энергетических установок с использованием возобновляемых видов энергии. Москва: Колос, 2003. 532 с.
  13. Нікульшин, В.Р., Височин, В.В. Теплові насоси та кондиціонери : навч. посіб. О. : Медіа Арт, 2014. 180 с.
  14. Хоштария А.Г. Разработка и экспериментальное изучение процесса теплонасосного теплоснабжения чаефиксационных и чаесушильных агрегатов и теплотехническое исследование низкотемпературного хранения чайного листа : Автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук: 05.14.04. Груз. политехн. ин-т. Тб., 1973. 25 с.
Copyright (c) 2021 Boris Kotov, Roman Kalinichenko, Yuri Pantsir, Igor Gerasimchuk, Volodymyr Hryshchenko