Кінетика сушіння циліндричного зразка деревини сал (Shorea robusta): коефіцієнт дифузії вологи, енергія активації та значення для біоенергетики

DOI
Журнал Проблеми машинобудування
Видавець Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Випуск Том 29, № 3, 2026 (вересень)
Сторінки 43–55

 

Автори

M. Verma, Університет Бхагванта (Ajmer-305004, Rajasthan, Індія), ORCID: 0000-0003-2146-3234

R. K. Ranjan, Урядова політехніка Сахджанва (Gorakhpur – 273209, Uttar Pradesh, Індія), e-mail: me11@nitp.ac.in, ORCID: 0000-0002-4023-689X

 

Анотація

У цій статті досліджується кінетика ізотермічного сушіння та ефективний коефіцієнт дифузії вологи у циліндричних зразках деревини сал (Shorea robusta), висушених у сушильній шафі гарячим повітрям за температур 75 °C, 90 °C та 105 °C. Деревина сал – це одна з найбільш екологічно та комерційно значущих листяних порід Індійського субконтиненту, має значні перспективи як біопаливна сировина, проте її характеристики сушіння досі систематично не досліджувалися. П’ять відомих моделей тонкошарового сушіння – Lewis, Page, Modified Page, Wang & Singh та Henderson & Pabis – було апроксимовано до експериментальних даних відносного вологовмісту (MR) за допомогою засобів апроксимації кривих у MATLAB. Модель Page забезпечила найкращу статистичну відповідність, при цьому коефіцієнти детермінації (R²) становили 0,9971, 0,9988 та 0,9983; значення суми квадратів похибок (SSE) – 0,003618, 0,001854 та 0,003047; значення середньоквадратичної похибки (RMSE) – 0,01608, 0,01151 та 0,01425 при 75°C, 90°C та 105°C відповідно. Ефективний коефіцієнт дифузії вологи, розрахований за допомогою аналітичного розв’язку другого закону Фіка для циліндричної геометрії, збільшився з 7,92×10-8 до 26,0×10-8 м²/с у досліджуваному діапазоні температур. Енергія активації, оцінена за допомогою рівняння Арреніуса, становила 4,42×10⁴Дж/моль, що узгоджується зі значеннями, отриманими для аналогічних лігноцелюлозних біомас. Отримані результати надають фундаментальні кінетичні дані для раціонального проєктування сушарок та оптимізації систем попередньої обробки біомаси.

 

Ключові слова: енергія активації, кінетика сушіння ефективний коефіцієнт дифузії вологи, шафа з гарячим повітрям, тонкошарове сушіння.

 

Література

  1. REN21. Renewables 2023 Global Status Report. REN21 Secretariat, Paris, France, 2023. https://www.ren21.net/gsr-2023/.
  2. International Energy Agency (IEA). World Energy Outlook 2023. IEA Publications, Paris, France, 2023. https://doi.org/10.1787/827374a6-en.
  3. Basu P. Biomass gasification, pyrolysis and torrefaction: Practical design and theory (3rd ed.) Practical Design and Theory. 2018. P. 211–262. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-812992-0.00007-8.
  4. Bardalai M., Mahanta D. K. Production of pyrolysis oil from Areca tree using a fixed bed reactor. Journal of Engineering Research. 2016. Vol. 4. Iss. 2. P. 172–187. https://doi.org/10.1016/S2307-1877(25)00887-9.
  5. Verma M., Loha C., Sinha A. N., Chatterjee P. K. Drying of biomass for utilising in co-firing with coal and its impact on environment – A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017. Vol. 71. P. 732–741. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.12.101.
  6. Riaza J., Álvarez L., Gil M. V., Pevida C., Pis J. J., Rubiera F. Ignition and NO emissions of coal and biomass blends under different oxy-fuel atmospheres. Energy Procedia. 2013. Vol. 37. P. 1405–1412. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2013.06.016.
  7. Luk H. T., Lam T. Y. G., Oyedun A. O., Gebreegziabher T., Hui C. W. Drying of biomass for power generation: A case study on power generation from empty fruit bunch. Energy. 2013. Vol. 63. P. 205–215. https://doi.org/10.1016/j.energy.2013.10.056.
  8. Liu Y., Peng J., Kansha Y., Ishizuka M., Tsutsumi A., Jia D., Bi X. T., Lim C. J., Sokhansanj S. Novel fluidized bed dryer for biomass drying. Fuel Processing Technology. 2014. Vol. 122. P. 170–175. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2014.01.036
  9. Gautam K. H., Devoe N. N. Ecological and anthropogenic niches of sal (Shorea robusta Gaertn. f.) forest and prospects for multiple-product forest management – A review. Forestry. 2006. Vol. 79. Iss. 1. P. 81–101. https://doi.org/10.1093/forestry/cpi063.
  10. Singh S., Gupta A. Comparative fermentation studies on amylase production by Aspergillus flavus TF-8 using Sal (Shorea robusta) deoiled cake. Industrial Crops and Products. 2014. Vol. 57. P. 158–165. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2014.03.035.
  11. Deka J., Tripathi O. P., Khan M. L. High dominance of Shorea robusta Gaertn. in alluvial plain Kamrup sal forest of Assam, N.E. India. International Journal of Ecosystem. 2012. Vol. 2. Iss. 4. P. 67–73. https://doi.org/10.5923/j.ije.20120204.04.
  12. Dimri R., Majhi S., Das K., Kumar S. Distribution, utilization, and ecological services of Sal (Shorea robusta C. F. Gaertn.). Indian Forester. 2026. Vol. 152. Iss. 5. P. 426–433. https://doi.org/10.36808/if/2026/v152i5/171045.
  13. Pradhan R. R., Garnaik P. P., Regmi B., Dash B., Dutta A. Pyrolysis kinetics of Sal (Shorea robusta) seeds. Biomass Conversion and Biorefinery. 2017. Vol. 7. Iss. 2. P. 237–246. https://doi.org/10.1007/s13399-017-0240-3.
  14. Behera S. K., Misra M. K. Aboveground tree biomass in a recovering tropical Sal (Shorea robusta Gaertn. f.) forest of Eastern Ghats, India. Biomass and Bioenergy. 2006. Vol. 30. Iss. 6. P. 509–521. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2006.01.003.
  15. Eliaers P., De Wilde J. Drying of biomass particles: experimental study and comparison of a conventional fluidized bed and a rotating fluidized bed in a static geometry. Drying Technology. 2013. Vol. 31. Iss. 2. P. 236–245. https://doi.org/10.1080/07373937.2012.726304.
  16. Haque N., Somerville M. Techno-economic and environmental evaluation of biomass dryer. Procedia Engineering. 2013. Vol. 56. P. 650–655. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2013.03.173.
  17. Lee H. W. Study on the fluidized bed drying characteristics of sawdust as a raw material for wood-pellet fuel. Journal of the Korean Wood Science and Technology. 2006. Vol. 34. Iss. 2. P. 30–36.
  18. Demirbas A. The importance of biomass. Energy Sources. 2004. Vol. 26. Iss. 4. P. 361–366. https://doi.org/10.1080/0090831049077406.
  19. Castagna A., Rein G. Surrogate chemical kinetics for drying of biomass and influence of moisture content on the burning behaviour of wood. Proceedings of the Combustion Institute. 2025. Vol. 41. Article 105985. https://doi.org/10.1016/j.proci.2025.105985.
  20. Gandía-Ventura I., Velázquez-Martí B., López-Cortés I., Guerrero-Luzuriaga S. Kinetic models of wood biomass drying in hot airflow systems. Applied Sciences. 2024. Vol. 14. Iss. 15. Article 6716. https://doi.org/10.3390/app14156716.
  21. Arabi M., Dahmardeh Ghalehno M. Thin-layer drying models and artificial neural network for wood fiber drying. BioResources. 2026. Vol. 21. Iss. 1. P. 654–672. https://doi.org/10.15376/biores.21.1.654-672.
  22. Núñez-Retana V. D., Carrillo-Parra A., Escobar Machado J. A., Moposita-Vasquez D.-D., Velázquez-Martí B. Predictive models for the convective drying kinetics of Pinus spp. energy wood chips. Applied Sciences. 2025. Vol. 15. Iss. 18. Article 10081. https://doi.org/10.3390/app151810081.
  23. Mihindukulasuriya S. D. F., Jayasuriya H. P. W. Mathematical modelling of drying characteristics of chilli in hot air oven and fluidized bed dryers. Agricultural Engineering International: CIGR Journal. 2013. Vol. 15. Iss. 1. P. 154–166.
  24. Safeena A., Patil S. Effect of hot air oven and microwave oven drying on production of quality dry flowers of Dutch roses. Journal of Agricultural Science. 2013. Vol. 5. No. 4. P. 179–189. https://doi.org/10.5539/jas.v5n4p179.
  25. Upadhyaya A., Gupta B., Garg S., Singh M. B., Pandey M. Mathematical modelling of hot air drying of spinach leaves in universal hot air oven. International Journal of Advanced Research in Computer Engineering & Technology. 2012. Vol. 1. Iss. 4. P. 153–157.
  26. Faisal S., Tabassum R., Kumar V. Performance evaluation and process optimisation of potato drying using hot air oven. Journal of Food Processing Technology. 2013. Vol. 4. Iss. 10. Article 273. https://doi.org/10.4172/2157-7110.1000273.
  27. Chen D., Zheng Y., Zhu X. Determination of effective moisture diffusivity and drying kinetics for poplar sawdust by thermogravimetric analysis under isothermal condition. Bioresource Technology. 2012. Vol. 107. P. 451–455. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2011.12.032.
  28. Sridhar D., Madhu G. M. Drying kinetics and mathematical modelling of Casuarina equisetifolia wood chips at various temperatures. Periodica Polytechnica Chemical Engineering. 2015. Vol. 59. No. 4. P. 288–295. https://doi.org/10.3311/PPch.7855.
  29. Kuznetsov G. V., Syrodoy S. V., Nigay N. A., Maksimov V. I., Gutareva N. Y. Features of heat and mass transfer during drying of large-thickness wood biomass layers. Renewable Energy. 2021. Vol. 169. P. 498–511. https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.12.137.
  30. Núñez-Retana V. D., Carrillo-Parra A., Moposita-Vasquez D.-D., Velázquez-Martí B. Analysis of convective drying in particles of pine wood chips for bioenergy. Biomass Conversion and Biorefinery. 2026. Vol. 16. Iss. 3. Article 96. https://doi.org/10.1007/s13399-025-06957-z.
  31. Loha C., Das R., Choudhury B., Chatterjee P. K. Evaluation of air drying characteristics of sliced ginger (Zingiber officinale) in a forced convective cabinet dryer and thermal conductivity measurement. Journal of Food Processing Technology. 2012. Vol. 6. Iss. 3. Article 160. https://doi.org/10.4172/2157-7110.1000160.
  32. Perea-Flores M. J., Garibay-Febles V., Chanona-Pérez J. J., Calderón-Domínguez G., Méndez-Méndez J. V., Palacios-González E., Gutiérrez-López G. F. Mathematical modelling of castor oil seeds (Ricinus communis) drying kinetics in fluidized bed at high temperatures. Industrial Crops and Products. 2012. Vol. 38. P. 64–71. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2012.01.008.
  33. Phanphanich M., Mani S. Drying kinetics of pine forest residues. BioResources. 2010. Vol. 5. Iss. 1. P. 108–121. https://doi.org/10.15376/biores.5.1.108-120.
  34. Jan K., Riar C. S., Saxena D. C. Mathematical modelling of thin layer drying kinetics of biodegradable pellets. Journal of Food Processing Technology. 2014. Vol. 5. Iss. 9. Article 370. https://doi.org/10.4172/2157-7110.1000370.
  35. Borah A., Hazarika K., Khayer S. M. Drying kinetics of whole and sliced turmeric rhizomes (Curcuma longa L.) in a solar conduction dryer. Information Processing in Agriculture. 2015. Vol. 2. Iss. 2. P. 85–92. https://doi.org/10.1016/j.inpa.2015.06.002.
  36. Taheri-Garavand A., Rafiee S., Keyhani A. Effective moisture diffusivity and activation energy of tomato in thin layer dryer during hot air drying. International Transaction Journal of Engineering, Management & Applied Sciences and Technologies. 2011. Vol. 2. No. 2. P. 239–248.
  37. Chen D., Liu X., Zhu X. A one-step non-isothermal method for the determination of effective moisture diffusivity in powdered biomass. Biomass and Bioenergy. 2013. Vol. 50. P. 81–86. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2013.01.023.
  38. Cai J., Chen S. Determination of drying kinetics for biomass by thermogravimetric analysis under non-isothermal condition. Drying Technology. 2008. Vol. 26. Iss. 12. P. 1464–1468. https://doi.org/10.1080/07373930802412116.
  39. Gómez-de la Cruz F. J., Cruz-Peragón F., Casanova-Peláez P. J., Palomar-Carnicero J. M. A vital stage in the large-scale production of biofuels from spent coffee grounds: The drying kinetics. Fuel Processing Technology. 2015. Vol. 130. P. 188–196. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2014.10.012.
  40. Valente C., Spinelli R., Hillring B. G., Solberg B. Mountain forest wood fuel supply chains: comparative studies between Norway and Italy. Biomass and Bioenergy. 2014. Vol. 71. P. 370–380. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2014.09.018.

 

Надійшла до редакції 18.07.2026
Прийнята 26.08.2026
Опублікована 30.09.2026