Интенсификация сушки зерна активным вентилированием с использованием электромагнитного поля свч
УДК 620:631.365.22На правах рукописи
БУДНИКОВ ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ СУШКИ ЗЕРНА АКТИВНЫМ
ВЕНТИЛИРОВАНИЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ СВЧ
Специальность 05.20.02. – Электротехнологии и электрооборудование
в сельском хозяйстве (по техническим наук
ам)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Зерноград - 2008 2 Диссертация выполнена на кафедре информационных технологий Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия»
Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Васильев Алексей Николаевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Вендин Сергей Владимирович (БелГСХА) кандидат технических наук Бабенко Алексей Александрович (ФГОУ ВПО АЧГАА) Ведущее предприятие: Научно-технический центр «Техноцентр»
Южного федерального университета (НТЦ «Техноцентр» ЮФУ), г. Таганрог Ростовской области » 2008 года в часов
Защита диссертации состоится « на заседании диссертационного совета ДМ 220.001.01 при ФГОУ ВПО АЧГАА по адресу: 347740, г Зерноград Ростовской области, ул. Ленина, 21, ФГОУ ВПО АЧГАА, в зале диссертационного совета. Тел./факс: (8-86359)43-3-
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО АЧГАА, а авторефератом на сайте академии: www.achgaa.ru.
» 2008 г.
Автореферат разослан «
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор Н. И. Шабанов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Климатические условия Южного федерального ок руга в большинстве случаев позволяют проводить уборку зерновых без применения зерносушильного оборудования. Использование скороспелых гибридов подсолнеч ника, значительное уменьшение площадей, засеваемых кукурузой, также способст вуют тому, что зерносушильное оборудование менее востребовано в зернопроизво дящих хозяйствах. Однако такая необходимость все-таки существует, поэтому в ряде хозяйств для подсушки зерна используют напольные переносные установки или бункера активного вентилирования. Эти установки многофункциональны, хо рошо вписываются в любую конфигурацию технологического процесса. Предпоч тение стоит отдать бункерам активного вентилирования, поскольку они занимают малую площадь и обладают большой вместительностью, имеют относительно не большую толщину обрабатываемого зернового слоя и компактное размещение электрооборудования, процесс активного вентилирования в бункерах в большей степени автоматизирован. Однако низкая скорость сушки в бункерах активного вентилирования, неравномерность сушки по слою не позволяют использовать их эффективно, когда необходимо подсушивать большие партии зерна. В этой связи интенсификация процесса сушки зерна в бункерах активного вентилирования рас ширит их функциональные возможности и будет способствовать сохранности уб ранного зерна, поэтому исследования по интенсификации сушки зерна в бункерах активного вентилирования представляются актуальной задачей.
Целью диссертационной работы является интенсификация сушки зерна активным вентилированием с использованием электромагнитного поля СВЧ.
Объектом исследования является процесс СВЧ активации зерна с после дующей сушкой активным вентилированием.
Предметом исследования является установление закономерности влияния СВЧ активации зерна на интенсификацию его сушки активным вентилированием.
Методы исследований. В работе использованы теоретические основы те плотехники, основы теории сушки коллоидных капиллярно-пористых тел, теория распространения и взаимодействия с диэлектриками поля СВЧ, элементы теории подобия, методы математической статистики и регрессионного анализа, приклад ное программное обеспечение в виде офисных программ общего назначения и спе циализированных математических пакетов.
Научная новизна состоит в следующем:
( ) - установлено влияние различных параметров (от ц п, Q, R ) на величину коэффициента диффузии влаги.
- определена взаимосвязь градиентов давления пара в зерновке и температуры.
- выявлена динамика нагрева и охлаждения зерна в активной СВЧ зоне.
- разработана модель активации и последующей сушки активным вентилированием.
Практическую ценность имеют следующие результаты:
( ) 1. Зависимость коэффициента диффузии влаги от ц п, Q, R, позволяю щая выполнять сравнительные расчеты различных режимов СВЧ нагрева в актив ной зоне.
2. Зависимости для определения температуры зерна в точках активной зоны и разности температур между центром и поверхностью зерновки дают возможность проектировать активную зону для обеспечения равномерности нагрева, определить количество магнетронов и схему их размещения в активной зоне, определить коли чество зон и расстояние между ними в зависимости от производительности.
На защиту выносятся следующие научные результаты и положения:
1. Зависимость давления пара внутри зерновки от градиента температуры.
2. Модель распределения температуры нагрева зерна в поле действия одного магнетрона.
3. Модель изменения градиента температур от величины удельной мощности.
4. Технология СВЧ активации зерна при сушке активным вентилированием.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации до ложены на научных конференциях по итогам НИР ФГО ВПО АЧГАА в 2005 2007 годах и СГАУ в 2006 году.
По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе две работы - в изданиях из перечня ВАК.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы и приложения.
Работа изложена на 164 страницах машинописного текста, включает 9 таб лиц и 68 рисунков.
Список цитируемой литературы представлен 126 источниками.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, изложены состояние во проса, цель и задачи исследований.
В первой главе «Анализ состояния вопроса и задачи исследования» про изведен анализ целей использования сушки и активного вентилирования зерна, в зависимости от состояния зернового слоя приведена классификация зерносушиль ного оборудования и установок активного вентилирования.
С использованием теории тепло-влагообмена произведен анализ вариантов повышения интенсивности сушки зерна активным вентилированием.
Интенсивность внутреннего переноса влаги в процессе сушки описывается уравнением неизотермической влагопроводности:
q m = a m u a m.
где u – влагосодержание, кг влаги на 1 кг продукта;
- температура, °С, a m – коэффициент внутренней диффузии влаги, м/с;
– плотность вещества, кг/м3;
– коэффициент термодиффузии, кг/°С.
Первый член уравнения характеризует перемещение влаги в материале под влиянием градиента влажности, u, второй — под влиянием градиента темпера туры,. При обычной конвективной сушке материал прогревается с поверхности и градиенты u и имеют противоположные знаки, то есть термовлагопровод ность препятствует удалению влаги из материала. Из основного уравнения влагопереноса следует, что интенсивность внутреннего переноса влаги мо жет быть повышена за счет увеличения потока, обусловленного влагопро водностью и за счет уменьшения тормозящего действия термовлагопроводно сти, то есть путем повышения градиента влагосодержания u и коэффициента внутренней диффузии влаги а т, а также уменьшения градиента температуры.
Применительно к активному вентилированию представляется возможным использование следующих методов интенсификации:
- изменение скорости и направления агента сушки;
- применение электрических и магнитных воздействий;
- использование потоков ионизированных и заряженных частиц;
- внедрение корпускулярных и электрических излучений;
- применение тепловых потоков.
Исследованием использования вышеуказанных методов для интенсифика ции сушки занимались такие ученые как В.И. Анискин, И.Ф. Бородин, Н.В. Ксенз, А.В. Лыков, Т.П. Троцкая, и другие.
Одним из исследуемых факторов, способствующих снижению энерго затрат и времени сушки, является применение воздействия на зерновой материал электрического поля микроволнового диапазона. Как и применение озоно воздушной смеси (ОВС), использование энергии СВЧ полей имеет многофункцио нальное назначение. Использование энергии электромагнитного поля СВЧ частот в сушке, в отличие от других методов, приводит к наложению интенсифицирующих действий. Одновременно увеличивается давление паров Р в обрабатываемом ма териале и градиент температуры не препятствует влагопереносу внутри продукта, так как. он разогревается изнутри.
Основные теоретические и экспериментальные работы, связанные с изуче нием закономерностей высокочастотного и сверхвысокочастотного нагрева и при менением его в сельхозпроизводстве и пищевой промышленности, были проведены академиком А.В. Лыковым, Г.А. Максимовым, Г. Пюшнером, А.А. Фогелем, Н.В. Книппером, С.В. Некрутманом. Позднее эти работы были продолжены и уг лублены академиками И.Ф. Бородиным, И.А. Роговым, докторами технических наук С.В. Вендиным, В.И. Пахомовым, Н.В. Цугленок, Г.И. Цугленок и другими учеными.
Проведенный анализ работ по сушке с использованием СВЧ полей пока зал, что во многих существующих установках используются мощные генераторы СВЧ энергии, используемые в кратковременном режиме включения (2-3 секунды), такие решения приводят к очень быстрому разогреву влаги, находящейся в суши мом материале, что может привести к порче зерна. Также исследовалось примене ние резонаторных камер, в которых зерно занимает часть зоны СВЧ активации.
Еще одним решением стало применение последовательно расположенных мало мощных магнетронов, например, в случае конвейерной сушилки, но за счет высо кой скорости движения ленты и неравномерности распределения СВЧ поля в мате риале слой зерна должен быть тонким (2,5-3см). Это приводит к увеличению длины транспортера и увеличению количества магнетронов на нем для обеспечения разо гревания материала до необходимой температуры.
Существующие сушилки, использующие комбинированное воздействие конвективного и СВЧ нагрева, охватывают, практически, весь спектр типов суши лок. Однако интенсифицирующее воздействие поля микроволнового диапазона для интенсификации сушки в бункерах активного вентилирования до сих пор не ис пользовалось.
Научная гипотеза: повышения скорости сушки зерна можно достичь по вышением градиента давления водяных паров сушимого материала, Р, и сниже нием градиента температуры, за счет поочередного использования нагрева зер на в зоне СВЧ-активации и его активного вентилирования.
Задачи исследования:
1. Разработать модель изменения движущих сил интенсификации процесса сушки зерна активным вентилированием при СВЧ обработке.
2. Провести экспериментальные исследования СВЧ активации и последующей сушки зерна активным вентилированием для определения равномерности распре деления температурного поля в зоне СВЧ активации, а также зависимости дейст вующей силы процесса интенсификации от параметров процесса.
3. Провести производственную проверку эффективности СВЧ интенсификации процесса сушки зерна активным вентилированием.
4. Оценить экономическую эффективность СВЧ интенсификации процесса сушки зерна активным вентилированием.
Во второй главе «Разработка модели СВЧ активации зерна и его сушки в бункерах активного вентилирования» рассматриваются теоретические положения по интенсификации сушки зерна активным вентилированием.
Состояние продукта, подвергающегося диэлектрическому нагреву в СВЧ поле, принято описывать системой дифференциальных уравнений:
U Q = a 2 + + v;
(1.1) c r ' c U U = a m 2 2U + a m 2 2 2 + (1.2) (1) ;
p U = ap 2P + (1.3).
c v где - температура, °С;
U – влагосодержание, кг влаги на 1 кг продукта;
– коэф фициент фазового превращения «жидкость – пар»;
a – коэффициент температуро проводности, м2/с;
с –удельная теплоемкость образца, Дж/кг°С;
r’ – удельная теп лота парообразования, Дж/кг;
Q – мощность внутренних источников теплоты, Вт/м3;
0 – плотность сухого вещества образца, кг/м3;
am2 – коэффициент диффу зии жидкости, м2/с;
2 – относительный коэффициент термодиффузии, кг/°С;
a p – коэффициент конвективной диффузии, м2/с;
Р – избыточное давление в об разце, Па;
– дифференциальный оператор Лапласа;
c – емкость образца по от ношению к влажному воздуху, Па-1.
Коэффициент конвективного теплообмена a p (конвективной диффузии пара) играет важную роль в описании процессов тепло - и влагообмена, в том числе и при СВЧ обработке. Определение численной величины этого коэффициента – один из значимых этапов расчета СВЧ сушки, в том числе и сушки зерна. Этому посвящена часть второй главы.
Для случая СВЧ нагрева зернового слоя необходимо отметить две особенности.
1. Скорость изменения температуры зернового слоя намного меньше ско рости изменения температуры в единой зерновке.
2. Скорость изменения давления паров внутри зерновки значительно больше скорости изменения температуры.
В этом случае изменение давления в зерновке описывается при помощи критерия Померанцева:
2( ц п ) r ' З R 2 c P 2P Po( ) = ap, c c x 2 x = где ц– температура центральной точки тела, °С;
п – температура поверхности тела, °С;
с – средняя температура тела в интервале времени для которого оп P ределяется величина, °С;
х – расстояние от центра зерновки, м;
R – опреде ляющий размер материала, (для зерна – радиус зерновки), м;
r' – теплота парообра зования, кДж/кг;
З – плотность зерна, кг/м3;
c – емкость тела по отношению к влажному воздуху, c = 1 / Р Н, Па-1;
– коэффициент теплопроводности Qv R ;
Q = 0,556 10 10 E 2 f tg ;
Q – количест зерна, кДж/мс°С;
Po = Tc во тепла выделенного в материале, Вт/м3;
Е – напряженность электрического поля, В/м;
f – частота колебаний, Гц;
– диэлектрическая проницаемость мате риала;
tg – тангенс угла диэлектрических потерь.
В результате решения получили следующее выражение:
( ) 2 ц п Q R 2 3,176 a p Pц r ' З c + c1, (2) P () = r ' З c R где a p – коэффициент конвективной диффузии, м2/с;
Pц – начальное давление пара в центре зерновки;
с1 – постоянная, зависящая от начальных условий, Па.
Данное выражение позволяет получить изменение давления пара в центре зерновки при ее СВЧ нагреве.
При прекращении воздействия СВЧ энергии наступает релаксация избы точного давления пара внутри зерновки. В результате решения дифференциального уравнения переноса пара получим выражение:
a p R x 2 x 1 R 2 4 2 x.
x Pц 1 1,588 + 0,588 cos P ( x, 1) = Cos e dx R 2R 2 R R R 0 После взятия интеграла получим a p 1 R 2 4 Cos x.
P (x, 1 ) = 0,9492 Pц е 0 2 R Для центра зерновки ap 10, P(1) = P 0 е R2, (3) ц где Рц0 – парциальное давление в центре зерновки в момент прекращения дейст вия СВЧ поля, Па;
1 – время, отсчитываемое с момента прекращения действия СВЧ энергии, с.
Решая совместно (2) и (3) относительно ар, получим зависимость a p = f (Q, R,,...) :
1081 lambertw[0,1156 2P exp(0,1156 2 (2 ( ) + 1 цо п ц 2 (Q c1r ' c )) + r ' с R2P ) / P ] r ' c R2P +R зv зv ц ц зv ц a p = 0,0037 r ' зcvP 1 ц 2( ) + 125 2R2 (Q c1r' с ) ц п зv r ' зcvP ц где lambertw – функция Ламберта, которая определена как зависимость решения x трансцендентного уравнения w e w = x от параметра w, входящего в уравнение.
При постоянной удельной мощности СВЧ излучения основное влияние на ( ) величину a p оказывает разность ц п. Зависимость а р = f (t ) может быть аппроксимирована полиномом:
а р = 1,318132 t 10 3 1,57366 10 2.
Необходимо подчеркнуть, что полученные выражения являются прибли женными и призваны демонстрировать качественные изменения процесса. Они позволяют оценить влияние различных факторов на протекание тепло-влагообмена при динамическом СВЧ нагреве и сравнить эффективность различных режимов СВЧ воздействия. Так на рисунке 1 показано, как изменяется давление пара в зер новке при изменении удельной мощности излучения. При изменении мощности излучения в 2,5 раза (с 40·103 до 100·103 Вт/м3) за 20 с воздействия, давление пара в зерновке повышается в 3 раза. Это очень важно для выбора мощности магнетронов активной зоны для обработки зерна. Поскольку в установках активного вентили рования обрабатываются большие объемы зерна и процесс это достаточно дли тельный, то технологическое оборудование не позволит своевременно воспользо ваться эффектом «быстрого» роста давления влаги внутри зерна, поэтому нет смысла в увеличении мощности магнетронов в активной зоне. Представляется це лесообразным использовать магнетроны небольшой мощности (до 1 кВт) с таким размещением по активной зоне, чтобы обеспечить равномерное по зоне распреде ление СВЧ поля, а, следовательно, и более равномерный нагрев.
В плане определения режимов СВЧ активации зерна при его сушке актив ным вентилированием не менее интересным является процесс релаксации давления внутри зерновки, после того, когда она покидает активную зону.
Установлено, что величина a p не только изменяется в процессе СВЧ об работки материала, но она совершенно другая при релаксации давления, a p. рел.
Величина a p. рел = 4,781 10 8 м 2 / с является наименьшей. Значение ко эффициента диффузии влаги при релаксации тоже будет изменяться в течение вре мени. Эмпирически путем получено, что при a p. рел = 6,517 10 7 м 2 / с характер изменения давления внутри материала сходен с экспериментальными данными, полученными другими авторами.
Рисунок 1 – Зависимость давления паров в зерновке от удельной мощности СВЧ источника В технологической цепи активного вентилирования для СВЧ активной зоны из системы дифференциальных уравнений (1), описывающей процесс тепло влагообмена при СВЧ обработке, уравнением (1.2) можно пренебречь. В результате для СВЧ нагрева получим:
u Q уд = a 2 + + c r c.
P u = a p 2P c u 0 имеем С учетом того, что Q уд = a + c.
P = a p 2 P При прекращении СВЧ воздействия система уравнений будет иметь сле дующий вид:
= a.
P = a pr 2 P Из системы уравнений видно, что «движущими» составляющими процесса являются 2 и 2 P (divgrad температуры и давления). Существуют сложности расчета не только величины градиента давления, но и самого давления жидкости и пара в зерновке, поэтому целесообразно рассмотреть связь изменения давления в ( ) зерновке с изменением разности температур ц п.
( ) Установлено, что характер изменения зависимости ц п = f () иден тичен характеру изменения зависимости P = f ( ) (рисунок 2).
а) б) а) перепад температуры;
б) давление Рисунок 2 – Изменение параметров процесса СВЧ – нагрева в течении времени Причем эта взаимосвязь линейная:
dP = K1 K 2.
d dP и составил 0,999. Это означает, Коэффициент корреляции между d что для контроля закономерности давления жидкости в зерновке, при СВЧ обра ботке зернового слоя, достаточно контролировать температуру зерновки в ее цен тре и на поверхности.
Для получения зависимости и Р после прекращения действия СВЧ = a воспользовались методикой решения уравнения теплопроводности при граничных условиях первого рода.
Решение уравнения теплопроводности, с учетом ограничений и начальных условий, имеет вид:
a 2 R K 0 x x x R 2 4 (x, ) = Cos e Cos dx, 2 R R 2 R R ( ) где 0 – разность ц п после прекращения действия СВЧ поля.
После взятия интеграла получим:
a R 2 4 Cos x.
(x, ) = 0,141 0 K e 2 R x Для соотношения = 1 ( по всей длине зерновки) R a R 2 4.
= 0 e Расчеты показали, что коэффициент корреляции между и Pрел равен 0,717, то есть взаимосвязь существенная, но не позволяющая однозначно судить об изменении давления по изменению разности температур. Разобьем кри вые релаксации давления и = f () на временные отрезки и найдем для них ве личину коэффициента корреляции. Для временного интервала в 5 с коэффициент корреляции K Pрел =0,956. Для 10 с K Pрел =0,885. Данные результаты позволя ют говорить, что в первые моменты времени после прекращения действия СВЧ поля на зерновой слой (5-10с) о релаксации давления паров в зерновке можно су дить по изменению разности температур между поверхностью зерновки и ее цен тром.
С помощью теории подобия процесс активации зернового слоя в СВЧ зоне может быть описан следующим выражением:
(Po, Fo p ) или Fo = K1 Po x1 y Fo = Fo p1, Q R a p a ;
Po = где Fo p = ;
Fo = ;
K1, x1, y1 – коэффициенты, которые R R должны быть определены экспериментально.
После прекращения СВЧ воздействия, состояние зернового слоя может быть описано только двумя критериями Fo и Fo p :
z Fo pr = K 2 Fo 1, a pr где Fo pr = ;
z1 – показатель степени;
a pr – коэффициент конвективного R теплообмена при релаксации давления, м2/с.
Полная система критериальных уравнений, описывающих процесс тепло влагообмена в зерновом слое при СВЧ активации и активном вентилировании, бу дет выглядеть следующим образом:
Fo = K1 Po x1 Fo p1, y (4.1) (4.2) z Fo pr = K 2 Fo, (4.3) (4) y x2 z Ho = K 3 u Re Fo pr, y d 4 (4.4) Ho = K 4 Ko x3 u4 Re y3 Fo pr, z x l y Ho = K 5 Ko x5 u6 Re y5.
d6 (4.5) x l Уравнение (4.1) описывает процесс активации зерна в СВЧ зоне. Уравне ние (4.2) описывает кратковременный процесс перехода внутри активной зоны за пределы границ действия СВЧ поля. Уравнение (4.3) описывает изменение состоя ния зернового слоя на пути из активной зоны в бункер активного вентилирования.
Выражение (4.4) описывает процесс сушки СВЧ-активированного зерна в бункере активного вентилирования. Уравнение (4.5) описывает процесс сушки зерна актив ным вентилированием после выражения температуры зерновки.
В виду малой длительности во времени процессов описываемых уравне ниями (4.2) и (4.3) исключим их из уравнения. Сокращенная система критериаль ных уравнений после раскрытия критериев будет иметь следующий вид:
x Q R2 1 a p a 2 = K1 2, R R a y x x r W 3 Tc T м 4 V R y3 d пр pr, 2 = K4 c з 1 273 + Tc l R y x5 x6 y5 d V = K r W Tc T м V R пр.
5 l c з 273 + Tc l где 1 = Tв з.ср. ;
Tв – температура воздуха, используемого для сушки зерна активным вентилированием, °С;
з.ср. – средняя температура зерна после актива l – толщина зернового слоя.
ции;
Методика определения коэффициентов критериального уравнения преду сматривает необходимость обеспечить постоянство одного из критериев Po, Fop, что не представляется возможным, так как. = f () Po = f (), и Fo p = f (), поэтому целесообразно заменить критериальное уравнение (4.1) функциональной зависимостью следующего вида:
= f (Q, W, ).
Тогда система уравнений, описывающая изменение температуры и влаж ности зернового слоя при СВЧ активации, сушку активированного зерна и сушку зерна активным вентилированием, будет иметь следующий вид:
= f (Q, W, ), y x x r W 3 Tc T м 4 V R y3 d пр a pr, 2 = K4 c з 1 273 + Tc l R y x5 x6 y5 d V = K r W Tc T м V R пр.
5 l l c з 273 + Tc Данная система уравнений позволит оценить влияние СВЧ активации на интенсивность сушки зерна в бункерах активного вентилирования. В большей час ти она носит качественный характер, но позволяет сравнительно оценить эффек тивность использования СВЧ.
В третьей главе «Выбор факторов и методика проведения эксперимен тальных исследований» описана методика проведения экспериментов и оборудова ние, использованное для этих целей.
Для проведения экспериментальных исследований использовалась лабора торная установка, включающая в себя активную зону, блок питания, тепловентиля ционный блок с воздуховодами. Для контроля и записи температуры использовали хромель-копелевые термопары, подключаемые к персональному компьютеру с по мощью аналогово-цифрового преобразователя. Для измерения температуры в цен тре зерновки в ней проделывали углубление по диаметру термопары и встраивали термопару внутрь. Термопара находилась в центре зерновки в течение всего време ни эксперимента. Для проведения исследований зерно засыпали в активную зону.
В активной зоне установлен магнетрон ( Pн =0,9кВт, f = 2,45ГГц). Для раз биения активной зоны на участки использовали радиопрозрачные фторопластовые пластины.
Цель эксперимента определяется следующими особенностями технологии СВЧ активации зерна. Для непрерывности процесса активного вентилирования необходимо, чтобы зерно после предварительной очистки в ЗАВе проходило через зону СВЧ активации и направлялось в бункер активного вентилирования. В про цессе активного вентилирования зерна оно должно просыпаться через выпускное отверстие бункера и норией направляться в СВЧ активную зону, При прохождении через активную зону зерно должно равномерно нагреваться. Это зависит от толщи ны зернового слоя в активной зоне, влажности зерна, мощности магнетронов, ко личества рядов магнетронов, расстояния между рядами магнетронов, рабочей час тоты магнетронов, поэтому важно знать распределение температурных полей в активной зоне, чтобы определить ее конструкцию и конфигурацию, количество магнетронов, схему их размещения. Эксперимент состоял из двух этапов.
Целью первого этапа было определение температурных полей от одного магнетрона в активной зоне при неподвижном слое зерна.
Целью второго этапа эксперимента было определение влияния циклично сти (повторности) СВЧ нагрева на динамику нагрева зерна, в зависимости от ис ходной влажности зерна и от расположения в активной зоне. Кроме этого необхо димо было установить, как будет влиять перемешивание зерна, при движении его через активную зону, на динамику нагрева.
Далее проводился эксперимент для построения регрессионной зависимо сти = f (Q, W, ). Для этого с помощью прибора производили замеры потока поглощаемой мощности СВЧ поля (Рп) в контрольных точках для трех влажностей зерна (17, 22, 27%).
В четвертой главе «Обработка и анализ экспериментальных данных»
осуществлялась обработка результатов экспериментальных исследований.
Результаты исследований по определению возможности использования термопар для измерения температуры зерна в СВЧ поле представлены в виде гра фиков (рисунок 3).
Из графиков видно, что имеется влияние разогрева термопары на измере ния температуры в центре и на поверхности зерновки. Данное влияние не сказыва ется на динамике нагрева и охлаждения зерновки. Особенно это наглядно на скоро сти изменения температур после прекращения действия СВЧ поля. Скорость изме нения температуры «чистой» термопары значительно ниже скорости изменения в центре и на поверхности зерновки.
Аналогичный эксперимент проделывался и с зерновкой влажностью 20%.
В результате установлено, что допустимо использовать тонкие термопары для из мерения величины температуры внутри зерновок с.х. культур и в зерновом слое полностью заполненных СВЧ камер.
Использование термопар в СВЧ камерах для контроля температуры внутри зерновок позволяет получать косвенные данные об изменении влажности и диэлек трической проницаемости частей зерновок.
Обработку результатов эксперимента по распределению температурного поля, создаваемого одним магнетроном по объему активной зоны проводили с ис пользованием программы MATLAB в прикладном пакете Statistics Toolbox.
С помощью встроенных функций пакета Statistics произведен расчет параметров и выполнено построение графиков для полученной регрессионной модели.
Рисунок 3 – Графики изменения температуры в центре и на поверхности зерновки пшеницы при СВЧ воздействии для Wз=14% После устранения незначимых коэффициентов регрессионная модель име ет следующий вид:
= 0 131,4 + 13,447 W 0,281 + 2,478 l + 0,0793 + 0,375 + 0,175 W 0,241 W l 0,00156 W 0,208 l 0,000774 + 0,000557 l 0,245 W 2 + 0 0272 2 + 0,1127 l 2 0,000441 2 0,00222 2.
Адекватность модели проверяли по критерию Фишера. Коэффициент де терминации модели составил Rsq = 0,891.
По данному уравнению построен объемный график (рисунок 4) распреде ления температуры зерна в активной зоне одного магнетрона. Для влажности зерна 20% представлено распределение температуры на расстоянии 4, 6, 10 см от магнетрона после 10 секунд воздействия СВЧ.
При исследовании динамики нагрева зерна в активной зоне были получены кривые нагрева при первом воздействии СВЧ поля и втором воздействии. Чтобы оценить, как изменяется динамика нагрева зернового слоя при повторной обработ ке СВЧ полем, графики привели к нулевым начальным условиям и построили в одной координатной сетке. Линии тренда экспериментальных графиков, для влаж ности зерна 22%, результат приведены на рисунке 5. Анализ графиков позволяет говорить, что при повторном воздействии СВЧ поля на зерно скорость его нагрева меньше, чем при первом воздействии. Величина нагрева зерна, а, следовательно, и разность температур между температурой центра и поверхности зерна также меньше, чем при первом нагреве.
Рисунок 4 – Объемные графики распределения температур при t=10с, W=20% для 1 – l=10см;
2 – l=6см;
3 – l=4см 1, 2 – 2 см от магнетрона по его оси, первый нагрев и второй нагрев;
3, 4 – 5 см от магнетрона по его оси, первый и второй нагрев;
5, 6 – термопара на расстоянии 8 см от магнетрона по его оси, первый и второй нагрев Рисунок 5 – Линии тренда полинома экспериментальных графиков многократного СВЧ нагрева Аналогичные кривые были получены и для влажностей 17 и 27%. Измене ние (уменьшение) скорости нагрева зерна тем больше, чем ближе слой расположен к магнетрону. Это необходимо учитывать при управлении магнетронами в актив ной зоне.
Кроме этого исследовалось влияние перемешивания зерна в активной зоне на равномерность его нагрева. Установлено, что конструкция активной зоны долж на быть такой, чтобы обеспечить максимальное перемешивание зерна при его дви жении от зоны действия одного магнетрона к зоне действия следующего магнетрона.
Был проведен эксперимент по определению функциональной зависимости = f (Q, W, ). Результаты экспериментальных данных показали взаимосвязь между величинами Qv и W. Чтобы оценить степень влияния этих величин, а, следо вательно, возможность их использования как независимых переменных в уравне нии регрессии, вычисляли коэффициент регрессии. Кr(W, Qv) составил – 0,394.
Это говорит о том, что увеличение влажности зерна уменьшает глубину проникно вения СВЧ поля по толщине слоя и уменьшает его удельную мощность, но величи на коэффициента корреляции позволяет использовать эти величины в уравнении регрессии как независимые.
При обработке результатов экспериментов использовали квадратичную модель. В результате, после устранения незначимых коэффициентов, получено следующее уравнение:
= 164,15 7,113 W 9,698 0,214 Q v + 0,284 W + + 0,00691 W Q v + 0,00312 Q v + 0,035 W 2 + 0,107 2.
Адекватность модели оценивали с помощью критерия Фишера. Коэффици ент детерминации составил Rsq = 0,851 при SKO=10,95. Однако, результаты прове рочных расчетов показали значительные погрешности в «крайних» точках при ма лой влажности зерна и большой удельной мощности, поэтому зависимость была представлена несколькими полиномами.
Полученная система уравнений позволяет выполнить следующее:
Рассчитать движущую силу процесса влагообмена в зерновке для любой точки активной зоны СВЧ камеры.
Зная закономерности распределения Qv и по СВЧ активной зоне, опре делить ее конструкцию, количество активных зон, конструктивное исполнение пе реходов между активными зонами.
= 2,585 0,0775 W 0,0004 0,0015 Qv + 0,201 W + при [0,13] + 0,000187 Qv, W 22% = 350,35 A W 2,092 0,0159 Q + 0,0853 W + v + 0,000946 W Q + 0,003 Q, v v при A = 19,848 при Qv 600Вт / м, W 22% A = 20,748 при Q 600Вт / м3, v = 13,085 0,799 W 0,849 0,0113 Qv + 0,0285 W + + 0,000377 W Qv + 0,000297 Qv + 0,0134 W 2 + 0,0126 2, при [0,13] W 22% = 492,93 B W 13,478 0,492 Q + 0,618 W + v 2 + 0,0134 W Qv + 0,00713 Qv + 0,0567 W 0,0646, при B = 17,993 при Q 600Вт / м, 3 W 22% v B = 16,993 при Qv 600Вт / м3.
С учетом теоретических и экспериментальных исследований, представлен ных в диссертационной работе фирмой «ООО АСТ» г. Таганрог, разработана СВЧ активная зона для нагрева зерна. При разработке активной зоны использованы сле дующие элементы диссертационной работы:
- с учетом распределения температуры нагрева зерна в активной зоне от одного магнетрона, описанной функциональной зависимостью 4.1, определены размеры активной зоны и расстояния между магнетронами в одном ряду;
- по результатам исследований влияния воздействия СВЧ поля на динами ку нагрева зерна и изменения градиента температуры зерна по объему активной зоны определено количество рядов магнетронов, расстояние между рядами.
Производственная проверка эффективности использования СВЧ активации при сушке зерна активным вентилированием показала сокращение сушки не менее чем на 30%.
В пятой главе «Определение экономической эффективности применения активной СВЧ зоны для интенсификации процесса сушки зерна» выполнен расчет экономической эффективности применения активной СВЧ зоны для интенсифика ции процесса сушки зерна активным вентилированием. Чистый дисконтированный доход на 1 т сушимого зерна (в расчете на 7 лет) составил 57,77 рублей.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ (( ) ) Полученная функциональная зависимость a p = f ц п, Q, позволяет 1.
качественно оценить влияние коэффициента конвективного теплообмена на динамику СВЧ нагрева и показывает, что величина коэффициента конвективного теплообмена изменяется в широком диапазоне (6,655·103 м2/с 9,8266·104 м2/с).
Полученная зависимость P = f () позволяет следить за изменением давле 2.
ния пара в зерновке по разности температур при СВЧ нагреве с коэффициен dP и 0,999, а при релаксации после снятия СВЧ поля том корреляции для d с коэффициентом корреляции равным 0,717.
3. Полученные уравнения регрессии позволяют с вероятностью 95% рассчитать распределение температур в зоне действия одного магнетрона с частотой 2,45 ГГц и зависимость перепада температур внутри зерновки от удельной мощности излучения, что позволяет проектировать зоны СВЧ активации для интенсификации сушки зерна.
4. Производственная проверка показала, что применение зоны активации для ин тенсификации сушки зерна активным вентилированием позволяет сократить время процесса на 30%.
5. Расчетный чистый дисконтированный доход (в расчете на 7 лет) от применения зоны СВЧ активации для сушки зерна активным вентилированием составил 57,77 рублей на тонну сушимого зерна.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ОПУБЛИКОВАННЫХРАБОТАХ:
1. Будников, Д.А. Влияние градиента температур на давление паров в зерновке при СВЧ нагреве [Текст] / А.Н. Васильев, Д.А. Будников, Б.Г. Смирнов // Агроинженерия. Вестник МГАУ. Выпуск 3/1. — М., 2007. — С. 27-29.
Будников, Д.А. Расчет коэффициента конвективного теплообмена при СВЧ 2.
сушке зерна [Текст] / А.Н. Васильев, Д.А. Будников, Б.Г. Смирнов // Механи зация и электрификация сельского хозяйства.– 2007.– №11. – С 20–21.
Будников, Д.А. Анализ возможностей интенсификации сушки зерна элек 3.
троактивированными средствами [Текст] / Д.А. Будников // Электротехноло гии и электрооборудование в сельскохозяйственном производстве: Сб. науч.
трудов / АЧГАА.– Зерноград, 2005. – С. 26-29.
Будников, Д.А. Проблемы и возможности использования СВЧ для сушки 4.
зерна [Текст] / Д.А. Будников // Проблемы исследования и проектирования машин. – Пенза, 2006. – С. 113 – 115.
Будников, Д.А. Экспериментальная установка и планирование эксперимента 5.
по СВЧ сушке зерна [Текст] / А.Н. Васильев, Д.А. Будников, Б.Г. Смирнов // Методы и технические средства повышения эффективности применения электроэнергии в сельском хозяйстве: Сб. науч. трудов / СтГАУ— Ставро поль: АРГУС, 2006. – С. 103-107.
Будников, Д.А. Экспериментальная установка и планирование эксперимента 6.
по определению динамических свойств зернового слоя при его СВЧ нагреве [Текст] / А.Н. Васильев, Д.А. Будников, Б.Г. Смирнов // Электротехнологии и электрооборудование в сельскохозяйственном производстве: Сб. науч.
трудов / АЧГАА– Зерноград, 2006. – Т.1. – С.74-78.
Будников, Д.А. Предварительные результаты эксперимента по СВЧ сушке 7.
зерна [Текст] / А.Н. Васильев, Д.А. Будников, Б.Г. Смирнов // Электротехно логии и электрооборудование в сельскохозяйственном производстве: Сб. на уч. трудов / АЧГАА. – Зерноград, 2007. – Т.1. –.С.78-81.
Будников, Д.А. Использование теории подобия для описания СВЧ сушки 8.
зерна [Текст] / А.Н. Васильев, Д.А. Будников, Б.Г. Смирнов // Электротехно логии и электрооборудование в сельскохозяйственном производстве:
Сб. науч. трудов / АЧГАА. – Зерноград, 2007. – С.72-77.
Будников, Д.А. Модель распределения температуры нагрева зерна по объему 9.
СВЧ активной зоны [Текст] / А.Н. Васильев, Д.А. Будников, Б.Г. Смирнов // Электротехнологии и электрооборудование в сельскохозяйственном про изводстве: Сб. науч. трудов / АЧГАА. – Зерноград, 2007. – С.78-81.
Будников, Д.А. Исследование возможности использования термопар в СВЧ 10.
активной зоне [Текст] / А.Н. Васильев, Д.А. Будников, А.А. Васильев, Д.А. Филоненко // Электротехнологии и электрооборудование в сельскохозяй ственном производстве: Сб. науч. трудов / АЧГАА. – Зерноград, 2007. – С.82-85.
ЛР 65 – 13 от 15.02.99. Подписано в печать 5 февраля 2008г.
Формат 6084/16. Уч.-из. л. 1.1. Тираж 100 экз.Заказ №568.
РИО ФГОУ ВПО АЧГАА 347740, г.Зерноград, Ростовской области, ул. Советская, 15.