RU
Анализ энергоэффективности различных схем установки с тепловым насосом для сушки пищевых материалов

Номер: 4 (405), 2026
Страницы: 108-113
Раздел: Пищевая инженерия, процессы, оборудование и автоматизация пищевых производств
Автор(ы): Андреев А.И., Семенов А.Е., Нуржанов М.Н., Ильин Р.А.

Аннотация:
Процесс сушки широко применяется в различных отраслях промышленности, в том числе пищевой. Установки, оснащенные тепловыми насосами (ТН), сокращают энергозатраты по сравнению с традиционными нагревателями. Цель настоящей работы – провести расчет энергоэффективности установки для сушки пищевых материалов с различными схемами включения ТН в систему и оптимизировать конструкцию по основным параметрам (температура сушки, массовый расход воздуха, КПД системы). Были исследованы шесть схем, включающие в себя сушилки с электронагревателями, рекуперацией, ТН и холодильной машиной. Смоделированные схемы исследовали в идентичных условиях сушки одного и того же условного пищевого продукта с одинаковым начальным и конечным влагосодержанием. Варьируемыми параметрами были температура наружного воздуха (20, 25 и 30°C) и температура в сушильной камере (45–60°C). Базой для сравнения (контролем) была принята схема с прямым подводом наружного воздуха и его нагревом с помощью электрического нагревателя. Для оптимизации параметров использовали модифицированный метод градиентного спуска. Установлено, что применение конденсационного ТН в сочетании с рекуперацией при температуре наружного воздуха 20°C снижает энергопотребление почти в 10 раз по сравнению с аналогичным показателем установки с электрическим нагревателем без рекуперации (0,521 против 5,140 (кВт · ч)/кг) и обеспечивает максимальную эффективность (1,918 кг влаги/(кВт · ч)) при всех исследованных температурах наружного воздуха. Установки с конденсационным ТН и рекуперацией также имеют высокую устойчивость к влиянию внешних условий: при изменении температуры с 20 до 30ºС изменение их энергоэффективности составляет менее 3%. Рекуперация уменьшает энергопотребление на 25–35% за счет повторного использования тепла отработанного воздуха. Применение холодильной машины позволяет снизить температуру сушки, однако это требует дополнительных капитальных и энергетических затрат. При оптимизации параметров установлено, что превышение температуры в 55°C резко снижает коэффициент эффективности ТН вследствие роста нагрузки на его конденсатор.

Ключевые слова: тепловой насос, энергопотребление, рекуперация, сушка пищевых материалов, энергоэффективность, оптимизация параметров

EN
Energy efficiency analеysis of various heat pump installation schemes for drying food materials

Number: 4 (405), 2026
Pages: 108-113
Section: Food Engineering, Processes, Equipment & Automation of Food Production
Authors(s): Andreev A.I., Semenov A.E., Nurzhanov M.N., Ilyin R.A.

Annotation:
Drying is widely used in various industries, including the food industry. Units equipped with heat pumps (HP) reduce energy consumption compared to traditional heaters. The objective of this study was to calculate the energy efficiency of a food drying unit with various HP configurations and optimize the design based on key parameters (drying temperature, air mass flow rate, and system efficiency). Six configurations were studied, including dryers with electric heaters, heat recovery, a HP, and a refrigeration unit. The simulated configurations were tested under identical drying conditions for the same food product with the same initial and final moisture content. The variable parameters were the outside air temperature (20, 25, and 30°C) and the temperature in the drying chamber (45–60°C). A configuration with direct outside air supply and its heating using an electric heater served as the comparison (control) baseline. A modified gradient descent method was used to optimize the parameters. It was found that the use of a condensing heat pump in combination with heat recovery at an outside air temperature of 20°C reduces energy consumption by almost 10 times compared to a similar figure for a unit with an electric heater without heat recovery (0,521 versus 5,140 (kW · h)/kg) and ensures maximum efficiency (1,918 kg moisture/(kW · h)) at all studied outside air temperatures. Units with a condensing HP and heat recovery are also highly resistant to the influence of external conditions: when the temperature changes from 20 to 30ºC, the change in their energy efficiency is less than 3%. Heat recovery reduces energy consumption by 25–35% due to the reuse of heat from exhaust air. The use of a refrigeration machine allows for a reduction in the drying temperature, but this requires additional capital and energy costs. During parameter optimization, it was found that exceeding a temperature of 55°C sharply reduces the efficiency of the heat pump due to the increased load on its condenser.

Keywords: heat pump, energy consumption, recovery, drying of food materials, energy efficiency, optimization of parameters

DOI: 10.26297/0579-3009.2026.4.15