Повышение эффективности сушки семян рапса с применением электромагнитного излучения
На правах рукописи
ГАНЕЕВ Ильдар Рафаилевич
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СУШКИ СЕМЯН РАПСА
С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Специальность: 05.20.01 – Технологии и средства механизации
сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Уфа – 2011
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Башкирский госу дарственный аграрный университет» (ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ»)
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Масалимов Ильгам Хамбалович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор заслуженный деятель науки и образования РФ Артемьев Владимир Григорьевич кандидат технических наук, доцент Самигуллин Анвар Сайфуллинович
Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия»
Защита состоится 23 сентября 2011 года в 1000 часов на заседании дис сертационного совета ДМ 220.003.04 при ФГОУ ВПО «Башкирский государ ственный аграрный университет» по адресу: 432980, г. Ульяновск, б. Новый Венец, д.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Баш кирский государственный аграрный университет»
Автореферат разослан и размещен на официальном сайте ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет» www.bsau.ru «19» августа 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук С.Г. Мударисов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Ведомственная целевая программа Министерства сельского хозяйства Российской Федерации «Развитие производства и пере работки рапса в Российской Федерации на 2008-2010 годы», а также государ ственная программа развития сельского хозяйства РФ на 2008-2012 годы предусматривают увеличение производства рапса в России. Рапс относится к культурам, которые обладают большим потенциалом использования, как в сельском хозяйстве, так и промышленности.
В настоящее время в сельскохозяйственной практике рапс, как кормо вая и техническая культура, приобретает все большую значимость. Рапсовый шрот, жмых и зеленая масса рапса являются ценным высокобелковым кор мом. Посевы рапса позволяют улучшить структуру и плодородие почвы, а также уменьшить засоренность полей. Кроме этого, рапс является источни ком высококачественного пищевого и технического масла, которые широко применяются в мыловаренной, текстильной, металлургической, полиграфи ческой, кожевенной отраслях, а также для производства экологически безо пасного биотоплива.
Одной из важнейших операций технологии возделывания рапса являет ся послеуборочная обработка семян. Обусловленные неравномерностью со зревания, разнокачественные семена рапса имеют исходную влажность 15…25%, в то время как кондиционная влажность составляет 7…8%. Вслед ствие высокой влажности и масличности семена подвержены окислительным изменениям и микробиологической порче. Поэтому для сохранения высоких посевных и технологических качеств семян рапса необходимо проводить своевременную сушку. Из-за отсутствия специального технологического оборудования сушка семян рапса производится на зерносушильном оборудо вании. Однако существующие зерносушилки не полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым к качеству высушенных семян. Используемый на существующих сушилках конвективный способ подвода теплоты характе ризуется большой инертностью, приводящей к перегреву семян, не обеспе чивает равномерность высушенных семян. Существует необходимость спе циальной подготовки и замены некоторых рабочих узлов зерносушильного оборудования для сушки рапса, при этом производительность по рапсу со ставляет лишь 50…60% от производительности по зерновым культурам. В связи с этим, исследование процесса сушки семян рапса, направленное на решение проблемы сохранения качества продукта и повышения эффективно сти процесса сушки, представляется актуальной задачей.
Работа выполнена в соответствии с планом НИОКР ФГОУ ВПО «Баш кирский ГАУ» на 2010-2015 гг. «Разработка энергосберегающих, экологиче ски безопасных технологий и технических средств для сушки и сортировки сельскохозяйственных культур» (регистрационный номер 01201060414).
Цель исследований. Повышение эффективности сушки семян рапса путем совершенствования технологического процесса сверхвысокочастотной (СВЧ) сушки и обоснования режимов работы СВЧ-сушильной установки.
Объект исследования. Технологический процесс сушки семян рапса электромагнитным излучением.
Предмет исследования. Закономерность процесса сушки семян рапса электромагнитным излучением с продувкой в псевдоожиженном слое.
Методика исследований. В теоретических исследованиях применены основы теории сушки коллоидных капиллярно-пористых тел, положения теории тепло- и массопереноса, основы теплотехники и теория электромаг нитного поля. Экспериментальные исследования в лабораторных и произ водственных условиях проводились в соответствии с действующими ГОСТ, ОСТ и разработанными частными методиками, а также с использованием теории планирования многофакторного эксперимента. Основные расчеты и обработку результатов экспериментов выполняли с применением методов математической статистики и регрессионного анализа, прикладного про граммного обеспечения в виде офисных программ общего назначения и спе циализированных математических пакетов.
Научная новизна работы. Разработана математическая модель про цесса сушки семян рапса электромагнитным излучением СВЧ-диапазона, численная реализация которой позволяет установить характер изменения температуры и влажности по времени и радиусу семени.
Получены закономерности влияния режимных параметров (мощности СВЧ, исходной влажности и температуры нагрева семян) на кинетику сушки.
Предложены СВЧ-сушильные установки, имеющие новые конструк тивные исполнения, подтвержденные патентами РФ на полезные модели № 81567, № 77950 и на изобретение № 2380632.
Практическая ценность. По результатам исследований создана СВЧ сушильная установка, которую можно применять для сушки семян рапса и других сельскохозяйственных культур. Разработана методика определения и рациональные режимы сушки семян рапса для семенных и для технических целей.
Использование разработанной СВЧ-сушильной установки при сушке семян рапса позволяет получить готовый продукт с требуемым качеством при удельных затратах теплоты 4,1 МДж/кгвлаги, что на 24,1% ниже по срав нению с сушильной установкой СК-2.
Годовой экономический эффект при сушке семян рапса составляет 628,52 рубля на 1 т высушенных семян.
Реализация результатов исследований. Разработанная СВЧ-сушиль ная установка была исследована и внедрена в производство в ООО МТС «Илишевская» Илишевского района Республики Башкортостан, где она при менялась для сушки семян рапса.
Апробация работы. Основные научные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях – меж дународных: Челябинской ГАА (Челябинск, 2009, 2010 гг.), Иркутской ГСХА (Иркутск, 2009 г.), Башкирского ГАУ (Уфа, 2010 г.);
всероссийских:
Башкирского ГАУ (Уфа, 2008-2010 гг.), Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавило ва (Саратов, 2009 г.);
межвузовских: Мордовского ГУ им. И.П. Огарева (Са ранск, 2008 г.). Работы, выполненные по теме диссертации, участвовали в конкурсах и грантах: Всероссийский открытый конкурс достижений талант ливой молодежи «Национальное Достояние России», 2009 г. (диплом II сте пени);
«Национальное Достояние России», 2010 г. (диплом победителя, золо той знак отличия);
конкурс молодых ученых и молодежных научных коллек тивов на соискание грантов Правительства Республики Башкортостан, 2010 г.
(выдан грант на проведение научно-исследовательских работ).
Результаты работы демонстрировались и были отмечены на выставках и форумах: XIX Международная специализированная выставка «Агроком плекс-2008», г. Уфа (диплом II степени);
III Инновационный форум «Россий ским инновациям – российский капитал», г. Ижевск, 2010 г. (диплом);
Рос сийская агропромышленная выставка «Золотая осень», г. Москва, 2010 г. (зо лотая медаль).
Публикации. По результатам работы над диссертацией опубликовано 16 работ, в том числе 2 патента РФ на полезные модели и 1 патент РФ на изобретение, 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Общий объем опубликованных работ составляет 4,9 п.л., из них автору принадлежит 2,8 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Рабо та изложена на 156 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков и 18 таблиц. Список литературы включает 145 наименований, в том числе – на иностранных языках.
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
– математическое обоснование процесса сушки семян рапса электро магнитным излучением СВЧ-диапазона;
– конструктивное обоснование СВЧ-сушильной установки;
– экспериментальная оценка рациональных режимов сушки и их влия ния на показатели качества семян.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении раскрыта актуальность выбранной темы исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» рас смотрены характеристики и свойства семян рапса, как объекта сушки. Вы полнен анализ существующего зерносушильного оборудования и отмечены его основные недостатки при использовании для сушки семян рапса.
Огромный вклад в развитие теории сушки внесли отечественные уче ные: А.В. Лыков, А.С. Гинзбург, П.Д. Лебедев, Г.К. Филоненко, В.А. Резчи ков, В.С. Уколов и другие. Большое значение для совершенствования техно логии и технических средств сушки имеют работы: А.П. Гержоя, Г.С. Окуня, В.Ф. Самочетова, Ю.Л. Фрегера, В.Н. Карпова, И.П. Журавлева, В.И. Кур дюмова, В.Г. Артемьева и многих других ученых.
Вопросами тепловой сушки семян рапса занимались И.В. Артемов, А.Д. Федоров, Г.А. Филатов, М.А. Шипилов, А.В. Голубкович, А.Г. Чижи ков, Л.В. Шампанова, Н.Г. Каширина, А.Е. Машков, Н.Л. Маренков, Д.О. Матвеев, С.А. Нагорнов, зарубежные ученые B.G. Patil, G.T. Ward, K.E. McKnight, E.B. Moysey, J. Crisp, J.L. Woods и другие.
Основные теоретические и экспериментальные исследования, связан ные с изучением закономерностей СВЧ-нагрева и применением его в сель хозпроизводстве, были проведены А.В. Лыковым, С.П. Рудобашта, П.Д. Ле бедевым, И.Ф. Бородиным, С.В. Вендиным и другими.
На основе теории тепло- и массопереноса было установлено, что для повышения эффективности сушки семян рапса необходимо интенсифициро вать внутренний и внешний перенос влаги. Наиболее эффективным способом интенсификации внешнего влагопереноса при сушке семян рапса является организация псевдоожиженного слоя.
Повысить интенсивность внутреннего влагопереноса можно путем воз действия на семена электромагнитным излучением СВЧ-диапазона.
На основании проведенного анализа состояния вопроса и для достиже ния поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследова ний:
– произвести анализ существующих технологий и технических средств сушки семян рапса, выявить основные направления их совершенствования;
– разработать математическую модель процесса сушки семян рапса электромагнитным излучением СВЧ-диапазона и произвести ее численную реализацию;
– разработать экспериментальную установку для сушки семян рапса электромагнитным излучением СВЧ-диапазона и определить основные ее параметры;
– провести исследования процесса сушки семян рапса электромагнит ным излучением СВЧ-диапазона в лабораторных условиях, определить ра циональные параметры режимов;
– провести производственную апробацию и оценить технико-эконо мическую эффективность установки и технологии процесса сушки семян рапса.
Во второй главе «Разработка теоретических основ процесса сушки семян рапса с применением электромагнитного излучения» рассмотрены теоретические основы сушки влажных материалов в электромагнитном поле, существующие подходы к математическому описанию процесса сушки.
Разработана технологическая схема процесса сушки семян рапса. Со гласно разработанной схеме процесс сушки состоит из нескольких циклов, каждый из которых включает в себя два этапа. На первом этапе производится нагрев семян до требуемой температуры, путем воздействия на них электро магнитным излучением СВЧ-диапазона. На данном этапе происходит повы шение температуры и интенсивное выделение влаги из семян, накапливаю щейся в межсеменном пространстве. На втором этапе производится продувка семян наружным воздухом с организацией псевдоожиженного слоя. На дан ном этапе решаются две задачи. Во-первых, отводится вышедшая из семян влага, во-вторых, производится охлаждение семян с целью недопущения пе регрева.
Предложено математическое описание процесса сушки семян рапса электромагнитным излучением СВЧ-диапазона. В основу математической модели принята система дифференциальных уравнений в частных производ ных, описывающих процесс внутреннего тепло- и массопереноса, разрабо танная А.В. Лыковым для высокоинтенсивного процесса сушки:
r U Т Q a 2Т V, (1) t c t c U U am2 2U am2 2 2Т, (2) t t U Р a p 2 p (3), t cV t где T – температура материала, К;
a – коэффициент температуропроводно сти материала, м2/с;
2 – оператор Лапласа, м–2;
– коэффициент фазового превращения жидкости в пар;
r – удельная теплота парообразования, Дж/кг;
c – удельная теплоемкость материала, Дж/(кгК);
U – влагосодержание мате риала, кгвл /кгс.в;
QV – мощность внутренних источников теплоты, Вт/м3;
0 – плотность сухого вещества материала, кг/м3;
am2 – коэффициент диффузии жидкости, м2/с;
2 – относительный коэффициент термодиффузии, 1/К;
P – избыточное давление в материале, Па;
aр – коэффициент конвективной диф фузии, м2/с;
cV – коэффициент емкости влажного воздуха в пористом теле, Па–1.
Принимаем следующие допущения: семена рапса имеют сферическую форму с радиусом r0, постоянное геометрическое сечение и постоянную плотность, мощность электромагнитного излучения по всем семенам распре делена равномерно.
С учетом сферической симметричности и зависимости коэффициентов в уравнениях (1-3) от температуры и влагосодержания система дифференци альных уравнений примет вид:
T 1 T U Q 2 a1 T,U r 2 b1 T,U V, (4) t c t r r r U 1 U 1 2 T U 2 a 2 T,U r 2 2 b2 T,U r, (5) t r r r r r r t Р 1 Р U 2 a3 T,U r 2 b3 T,U, (6) t r r r t r ;
a 2 a m2 ;
b2 a m 2 2 ;
a3 a p ;
b где a1 a ;
b1 ;
r – радиаль c сV ная переменная.
Дополним систему дифференциальных уравнений (4-6) соответствую щими начальными и граничными условиями.
Начальные условия задаются постоянными в зависимости от радиаль ной переменной r:
Т (0, r ) T0 (r ) ;
U (0, r ) U 0 ( r ) ;
P (0, r ) P0 ( r ). (7) При r = 0 ставится условие симметричности:
Т U P 0. (8) r r r Граничные условия для температуры, влагосодержания и давления имеют вид:
T t, r 1 T t, r0 T t, r0 Tср, а1 (9) r U t, r0 b 1 T t, r0 T t, r0 Tср 2 U t, r0 U P ср, (10) а r a Р t, r0 0, (11) где 1 – коэффициент теплообмена, Вт/м К;
ТСР – температура окружаю щей среды, К;
2 =с / 0, с – коэффициент влагообмена, отнесенный к разни це влагосодержаний, м/с;
Up – равновесное влагосодержание материала, кгвл/кгс.в..
Для численного решения задачи, в которую входят уравнения (4-11), была использована явная схема на основе конечно-разностных аппроксима ций дифференциальных операторов для последовательного послойного вы числения Т, U и P.
Для оценки процессов происходящих на этапах сушки были проведены вычислительные эксперименты.
Рисунок 1 – Изменение температуры семян рапса на этапах сушки Из рисунка 1 видно, что на первом этапе температура семян интенсив но увеличивается, причем закон повышения температуры близок к линейно му. На втором этапе, температура семян сначала интенсивно снижается, а за тем стабилизируется. Это объясняется одновременным воздействием СВЧ нагрева и охлаждением семян потоком воздуха.
Рисунок 2 – Изменение влагосодержания семян рапса на этапах сушки В начале первого этапа происходит интенсивное выделение влаги (ри сунок 2). Через определенный промежуток времени интенсивность выделе ния влаги снижается и затем перестает выделяться. Это связано с насыщени ем межсеменного пространства выделившейся влагой. Для отвода выделив шейся влаги необходимо начать этап продувки.
Влагосодержание семени на втором этапе продолжает убывать. Необ ходимо отметить, что на данном этапе количество отведенной влаги больше, чем на первом, что объясняется интенсивностью внешнего влагообмена.
а) б) Рисунок 3 – Изменение температуры (а) и влагосодержания (б) по радиусу семени Оценка изменения вышерассмотренных параметров по радиусу семени, позволяет сделать вывод, что на первом этапе влагосодержание в централь ной части семени постоянно и начинает убывать ближе к поверхностным слоям (рисунок 3а), что связано с выделением влаги с поверхностных слоев в межсеменное пространство. На втором этапе разница влагосодержаний меж ду центром и поверхностными слоями семени существенна, она является ос новной движущей силой процесса.
Температура на первом этапе по радиусу семени практически не изме няется (рисунок 3б), что свидетельствует о наличии объемного нагрева. На втором этапе возникает градиент температуры по радиусу, он является до полнительной движущей силой переноса влаги из центральных к поверхно стным слоям.
Перемещение влаги в семени происходит и под действием избыточного давления, возникающего при СВЧ-нагреве. В начале процесса сушки наблю дается резкое повышение давления, вызванное включением источника элек тромагнитного излучения. Далее скорость повышения давления уменьшает ся.
В третьей главе «Методика проведения экспериментальных иссле дований» изложены программа и методика экспериментальных исследова ний, основанные на действующих ГОСТах и ОСТах, представлены описания лабораторной СВЧ-сушильной установки и применяемых измерительных приборов и оборудования. На рисунке 4 представлена схема СВЧ-сушильной установки.
1 – загрузочный бункер;
2 – вы грузное устройство;
3 – су шильная камера;
4 – резонатор ная камера;
5 – система охлаж дения магнетрона;
6 – пульт управления;
7 – пускозащит ный блок;
8 – магнетрон с вол новодом;
9 – инвертор;
10 – беспровальная радиопрозрач ная сетка, 11 – экранирующая сетка;
12 – воздухораспредели тельный канал;
13 – нагнета тельный вентилятор;
14 – не сущая рама Рисунок 4 – Схема СВЧ-сушильной установки Для проведения экспериментальных исследований была изготовлена лабораторная СВЧ-сушильная установка (рисунок 5).
1 – загрузочный бункер;
2 – ме ханизм загрузки;
3 – корпус;
4 – пульт управления;
5 – пускоза щитный блок;
6 – нагнетатель ный вентилятор;
7 – несущая рама;
8 – выгрузное устройст во;
9 – контрольно-измеритель ная аппаратура;
10 – персо нальный компьютер для обра ботки данных Рисунок 5 – Лабораторная СВЧ-сушильная установка Применялись как однофакторные, так и многофакторные методики ис следований со статистической обработкой экспериментальных данных с ис пользованием пакетов прикладных программ «Statistica 6.0.», «Mathcad 14» и «Excel».
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований»
представлены результаты обработки экспериментальных исследований.
а б Рисунок 6 – Динамика нагрева семян рапса с различной исходной влажностью при мощности СВЧ:
а – Р = 850 Вт;
б – Р = 470 Вт Результаты исследования динамики нагрева семян в СВЧ-сушильной камере показали, что основными параметрами, влияющими на динамику на грева семян рапса при СВЧ-сушке, являются исходная влажность семян и мощность СВЧ. С повышением подводимой мощности СВЧ интенсивность повышения температуры увеличивается. Чем ниже исходная влажность се мян, тем ниже скорость повышения температуры. Графики динамики нагрева семян рапса с различной исходной влажностью в зависимости от мощности СВЧ приведены на рисунке 6. Показания температуры снимались с интерва лом в 1 секунду.
Рисунок 7 – Кинетика сушки семян рапса (Р = 600 Вт, WH = 15,5%, Тн.ср = 45С) По результатам исследования кинетики сушки было установлено, что характер изменения температуры семян не одинаков между циклами. После каждого этапа охлаждения семян устанавливается температура выше преды дущего, что связано со снижением влажности семян. Определены оптималь ные соотношения продолжительности этапов сушки, при которых на первом этапе производится СВЧ-нагрев семян до требуемой температуры, а на вто ром продувка с охлаждением на 8…10С от установленной температуры сушки (рисунок 7).
Рисунок 8 – График изменения влажности в процессе сушки Данные, полученные аналитическим путем, оказались в зоне экспери мента (рисунок 8), причем характер изменения влажности во времени совпа дает по теоретическим и экспериментальным данным. Расхождение теорети ческих и экспериментальных данных не превышает 7,6%.
а б в Рисунок 9 – Фотографии структуры семени рапса:
а – влажного;
б – высушенного при Руд= 850 Вт/кг, Т = 40С;
в – высушенного при Руд= 2100 Вт/кг, Т = 40С Изучение структуры семян, высушенных при воздействии различного уровня электромагнитного излучения показало, что сушка рапса в рассмат риваемом диапазоне удельной мощности СВЧ Руд = 250…850 Вт/кг при тем пературе нагрева не более Т = 50С не приводит к существенным изменениям в структуре семян. При воздействии на семена электромагнитным излучени ем с удельной мощностью более Руд = 2000 Вт/кг могут произойти необрати мые изменения в структуре семян. Также было установлено, что сушка семян рапса электромагнитным излучением с удельной мощностью более Руд = 600 Вт/кг, при температуре нагрева более Т = 60С, может привести к изме нениям в структуре семян. На фотографии структуры влажного семени рапса, приведенного на рисунке 9а видно, что структура без изменений, наблюдает ся наличие жидкого вещества. После сушки при Руд = 850 Вт/кг изменений в структуре семени не наблюдается, но количество жидкого вещества уменьши лось (рисунок 9б). Увеличение удельной мощности СВЧ до Руд = 2100 Вт/кг привело к необратимым изменениям в структуре семени (рисунок 9в).
Были проведены исследования по определению изменения фермента тивной активности в семенах рапса после СВЧ-сушки. Гистохимическое вы явление активности изоферментов рапса проводили в гелях методом диск электрофореза.
Результаты исследований позволили сделать следующие выводы: раз работанные и предлагаемые нами режимы сушки семян рапса, существенно не нарушают физиологический и биохимический статус клетки;
режим, близкий к пороговому, приводящий к началу биохимического ответа и уменьшению гистохимической активности ферментов, начинается при тем пературе нагрева семян более Т = 60С и увеличении времени экспозиции СВЧ-нагрева более tэ = 40 мин. Основным параметром, приводящим к изме нению активности ферментов рапса в рассмотренных режимах, является тем пература нагрева семян.
Проверка высушенных семян на энергию прорастания и всхожесть по казала, что основными параметрами, приводящими к снижению всхожести семян, являются температура и время экспозиции СВЧ-нагрева. Повышение температуры нагрева выше 60С приводит к резкому снижению всхожести семян. Меньшее влияние оказывает время экспозиции СВЧ-нагрева, но при воздействии на семена электромагнитным излучением более 30 мин., также наблюдается тенденция к снижению всхожести семян. Закономерность влия ния мощности СВЧ на снижение всхожести семян, в рассматриваемых режи мах, не была установлена.
Анализ качественных показателей семян рапса, высушенных при раз личных режимах, показал, что СВЧ-сушка не оказывает существенного влия ния на общее содержание белка в семенах. Полученные результаты свиде тельствуют, что СВЧ-сушка семян рапса с высокой подводимой мощностью Р = 600…850 Вт и высокой температурой Т = 60…70С нагрева семян позво ляет увеличить массовую долю жира на 5…6%.
Для оценки эффективности процесса сушки в качестве критерия опти мизации были выбраны удельные затраты теплоты на испарение 1 кг влаги из семян.
Уравнение регрессии, характеризующее влияние исходной влажности семян и мощности СВЧ на удельные затраты теплоты:
Q уд 16914,4 7,838Р 1026,981WH (12) 0,0046 P 2 0,0796WH P 22,342WH.
Графическое изображение поверхности отклика от взаимодействия ис ходной влажности семян и мощности СВЧ и их совместного влияния на удельные затраты теплоты представлено на рисунке 10.
Аналогично были получены уравнения регрессии от взаимодействия исходной влажности семян и температуры нагрева семян:
Q уд 22999,54 248,392Т 1116,504WH (13) 2 1,4155T 2,6539WH T 22,342WH.
Рисунок 10 – Поверхности отклика от Рисунок 11 – Поверхности отклика от взаимодействия исходной влажности взаимодействия исходной влажности семян и мощности СВЧ излучения семян и температуры нагрева семян Графическое изображение поверхности отклика, характеризующее удельные затрат теплоты от совместного влияния исходной влажности семян и температуры нагрева семян, представлено на рисунке 11.
Рисунок 12 – Двумерное сечение поверхности отклика влияния Т и Р на Qуд На основе результатов исследований и анализа математических моде лей были определены граничные значения параметров для различных режи мов сушки, при которых удельные затраты теплоты на испарение 1 кг влаги из семян минимальны.
Двумерное сечение поверхности отклика, характеризующее удельные затраты теплоты от совместного влияния температуры нагрева семян и мощ ности СВЧ представлено на рисунке 12. На поверхности отмечены гранич ные значения параметров для сушки семян рапса на технические и семенные цели. При сушке рапса на технические цели, значения параметров следую щие: мощность СВЧ Р = 550…850 Вт, температура нагрева семян Т = 60…70С, время экспозиции СВЧ-нагрева tэ = 30…40 мин. Для рапса, ис пользуемого в качестве семенного материала, значения параметров равны:
мощность СВЧ Р = 600…850 Вт, температура нагрева семян Т = 38…42С, время экспозиции СВЧ-нагрева tэ = 20…30 мин. Определен рациональный режим сушки: мощность СВЧ Р = 600 Вт, температура нагрева семян Т = 50С, время экспозиции СВЧ-нагрева tэ = 20 мин. При данных параметрах режима качество высушенных семян находится на удовлетворительном уровне и минимальные затраты теплоты равны Qуд = 4,1 МДж/кгвлаги.
Статистическая обработка результатов экспериментов выявила адек ватность уравнений регрессий, значимость коэффициентов и воспроизводи мость результатов.
В пятой главе «Исследование процесса сушки семян рапса в произ водственных условиях и оценка его экономической эффективности»
приведены результаты производственных исследований, проведенные в ООО МТС «Илишевская» Илишевского района Республики Башкортостан.
Рисунок 13 – Производственные испытания СВЧ-сушильной установки Сушка семян рапса в производственных условиях, на разработанной сушильной установке, проводилась на режимах определенных лабораторны ми исследованиями и показала высокую эффективность и качество процесса сушки.
При проведении производственных исследований разработанная СВЧ сушильная установка входила в состав технологической линии послеубороч ной обработки семян, включающей семяочистительно-сортировальную ма шину «ПЕТКУС» К-531А, шнековый погрузчик Т-403/2, СВЧ-сушильную установку (рисунок 13).
Технико-экономические показатели эффективности сушки семян рапса в разработанной сушильной установке приведены в сравнении с серийно вы пускаемой зерносушилкой СК-2. Экономический эффект от внедрения СВЧ сушильной установки составил 628,52 руб. на 1 тонну высушенных семян рапса, годовой экономический эффект 245124,31 руб. Срок окупаемости СВЧ-сушильной установки не превышает 0,76 года.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Установлено в результате анализа литературных данных, что основ ным направлением повышения эффективности сушки семян рапса является интенсификация влагопереноса: внутреннего переноса – путем воздействия на семена электромагнитным излучением, внешнего переноса – сушкой се мян в псевдоожиженном слое.
2. Разработана математическая модель процесса сушки семян рапса электромагнитным излучением СВЧ-диапазона на основе дифференциальных уравнений в частных производных. Для численной реализации математиче ской модели созданы алгоритм и компьютерная программа. В результате численной реализации установлен характер изменения температуры и влаж ности по времени и радиусу семени.
3. Разработана экспериментальная СВЧ-сушильная установка, которая включает в себя несущую раму, корпус, нагнетательный вентилятор, резона торную и сушильную камеры, волновод, магнетрон с системой охлаждения.
Сушильная камера представляет собой цилиндр, выполненный из радиопро зрачного материала, который установлен в резонаторной камере специальной формы.
Определены основные параметры СВЧ-сушильной установки: реко мендуемая мощность источника электромагнитного излучения установки со ставляет 550…850 Вт, установленная частота изменения электромагнитного поля 2,45 МГц, расход агента сушки – воздуха (температура 20…30С), 0,7…1 м3/с, производительность 0,2…0,3 т/ч.
4. Установлено в результате экспериментальных исследований, что не обходимая по агротехническим требованиям влажность семян 7…8% дости гается за 8…12 циклов (в зависимости от исходной влажности). Определен рациональный режим сушки при исходной влажности семян 13…25%: мощ ность СВЧ Р = 600 Вт, температура нагрева семян 50С, время экспозиции СВЧ-нагрева tэ = 20 мин. При рекомендуемом режиме удельные затраты теп лоты на испарение 1 кг влаги из семян составляют Q = 4,1 MДж/кгвлаги, каче ство семян не снижается.
Определены режимы сушки: мощность СВЧ Р = 550…850 Вт, темпера тура нагрева семян Т = 60…70С, время экспозиции СВЧ-нагрева tэ = 30…40 мин. – для рапса используемого на технические цели;
мощность СВЧ Р = 600…850 Вт, температура нагрева семян Т = 40С, время экспозиции СВЧ-нагрева tэ = 20…30 мин. – для семенного материала.
5. Разработанные СВЧ-сушильная установка и технология сушки семян рапса прошли производственную апробацию в условиях ООО МТС «Или шевская» Илишевского района Республики Башкортостан.
Экономический эффект от внедрения СВЧ-сушильной установки со ставил 628,52 руб. на 1 тонну высушенных семян рапса, годовой экономиче ский эффект 245124,31 руб. Срок окупаемости СВЧ-сушильной установки не превышает 0,76 года.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК 1. Ганеев, И.Р. Как лучше сушить семена / И.Х. Масалимов, А.В. Ефи мов, И.Р. Ганеев, В.Н. Пермяков // Сельский механизатор. – 2009. – № 8. – С. 16-17.
2. Ганеев, И.Р. Сушка семян рапса в неподвижном слое электромагнит ным излучением СВЧ диапазона / И.Х. Масалимов, И.Р. Ганеев, А.В Ефимов // Вестник Московского государственного агроинженерного университета им. В.П. Горячкина. Агроинженерия. – 2009. – № 4. – С. 30-32.
3. Ганеев, И.Р. Передвижная конвейерная сушилка / И.Х. Масалимов, И.Р. Ганеев, В.Н. Пермяков // Механизация и электрификация сельского хо зяйства. – 2010. – № 3. – С. 9-10.
Патенты 4. Пат. № 77950 Российская Федерация, МПК F26B 17/10. Сушильно сортировальная установка сыпучих материалов / И.Р. Ганеев, И.Х. Масали мов, В.Н. Пермяков;
заявитель и патентообладатель Башкирский государст венный аграрный университет. – №2008120896/22;
заявл. 10.09.2008;
опубл.
10.11.2008, Бюл. № 31. – 2 с.
5. Пат. № 81567 Российская Федерация, МПК F26B 17/12. Передвижная конвейерная сушилка сыпучих материалов / И.Р. Ганеев, И.Х. Масалимов, В.Н. Пермяков;
заявитель и патентообладатель Башкирский государственный аграрный университет. – №2008110367/22;
заявл. 18.03.2008;
опубл. 20.03.2009, Бюл. № 8. – 2 с.
6. Пат. № 2380632 Российская Федерация, МПК F26B 20/00. Сушиль но-сортировальная установка сыпучих материалов / И.Р. Ганеев, И.Х. Маса лимов, В.Н. Пермяков;
заявитель и патентообладатель Башкирский государст венный аграрный университет. – №2008118677/06;
заявл. 12.05.2008;
опубл.
27.01.2010, Бюл. № 3. – 5 с.
Публикации в сборниках научных трудов и материалах конференций 7. Ганеев, И.Р. Обоснование выбора материала сушки / И.Р. Ганеев // Молодежная наука и АПК: проблемы и перспективы: материалы II Всерос сийской научно-практической конференции молодых ученых и аспирантов, Ч. 1. – Уфа: Башкирский ГАУ, 2008. – С. 198-200.
8. Ганеев, И.Р. Применение СВЧ-излучения для сушки семян рапса / И.Х. Масалимов, И.Р. Ганеев // Повышение эффективности функциониро вания механических и энергетических систем: материалы Всероссийской на учно-технической конференции. – Саранск: Мордовский ГУ им. И.П. Огаре ва, 2008. – С. 251-253.
9. Ганеев, И.Р. Сушильно-сортировальная установка для сушки семян рапса / И.Р. Ганеев, И.Х. Масалимов // Достижения науки – агропромышлен ному производству: материалы XLVIII Международной научно-технической конференции. – Челябинск: ФГОУ ВПО «Челябинский ГАУ», 2009. – С. 122 124.
10. Ганеев, И.Р. Выбор оптимальной конструкции зерносушилки для сушки семян рапса / И.Р. Ганеев, И.Х. Масалимов // Климат, экология сель ское хозяйство Евразии: материалы Международной научно-технической конференции посвященной 75-летию образования ИрГСХА. – Иркутск: НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН, 2009. – С. 417-420.
11. Ганеев, И.Р. Инновационные методы сушки сельскохозяйственных культур / И.Р. Ганеев, И.Х. Масалимов // Аграрная наука в XXI веке: пробле мы и перспективы: материалы III Всероссийской научно-практической кон ференции. – Саратов: ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова», 2009. – С. 91-93.
12. Ганеев, И.Р. Воздействие СВЧ излучателя на клетки зерен рапса при их сушке / И.Р. Ганеев, А.В Ефимов, Б.Н. Саитов // Молодежная наука и АПК: проблемы и перспективы: материалы III Всероссийской научно-прак тической конференции. – Уфа: Башкирский ГАУ, 2009. – С. 78-81.
13. Ганеев, И.Р. Экспериментальная установка для сушки электромаг нитным излучением СВЧ диапазона / И.Р. Ганеев, В.Н. Пермяков // Достиже ния науки – агропромышленному производству: материалы XLIX Междуна родной научно-технической конференции, Ч. 2. – Челябинск: ФГОУ ВПО «Челябинский ГАА», 2010. – С. 246-249.
14. Ганеев, И.Р. Лабораторные исследования микроволновой сушки се мян сельскохозяйственных культур на экспериментальной сушильной уста новке / И.Р. Ганеев, И.Х. Масалимов // Состояние, проблемы и перспективы развития АПК: материалы Международной научно-технической конферен ции посвященной 80-летию ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ», Ч. 2. – Уфа:
Башкирский ГАУ, 2010. – С. 31-33.
15. Ганеев, И.Р. Выявление зависимости кинетики сушки от мощности СВЧ излучения / И.Р. Ганеев, Ш.Ф. Файзрахманов // Ремонт. Восстановле ние. Реновация: материалы II Всероссийской научно-практической конфе ренции. – Уфа: Башкирский ГАУ, 2011. – С.95-96.
16. Ганеев, И.Р. Влияние СВЧ-сушки на физиологическое состояние клетки в семенах рапса / И.Р. Ганеев, И.Х. Масалимов // Особенности разви тия агропромышленного комплекса на современном этапе: материалы Все российской научно-технической конференции, Ч. 2. – Уфа: Башкирский ГАУ, 2011. – С. 27-30.
Подписано в печать 17.08.2011 г. Формат бумаги 60841/16. Усл. печ. л. 1,0. Бумага офсетная Печать трафаретная. Гарнитура «Таймс». Заказ 376. Тираж 100 экз.
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Типография ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет»
450001, г. Уфа, ул. 50-летия Октября,