В поле коронного разряда за счет действия электрического ветра (на примере сушки моркови)

На правах рукописи

УРАЗОВ Сергей Игоревич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА

КОНВЕКТИВНО­ЛУЧЕВОЙ СУШКИ ОВОЩЕЙ

В ПОЛЕ КОРОННОГО РАЗРЯДА

ЗА СЧЕТ ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВЕТРА

(НА ПРИМЕРЕ СУШКИ МОРКОВИ)

Специальность 05.20.02 – Электротехнологии

и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук Челябинск – 2010 Работа выполнена на кафедре применения электрической энер­ гии   в  сельском  хозяйстве   Федерального   государственного  образова­ тельного учреждения высшего профессионального образования «Челя­ бинская государственная агроинженерная академия».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Возмилов Александр Григорьевич Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Басарыгина Елена Михайловна кандидат технических наук, доцент Мелякова Ольга Александровна Ведущее предприятие: ГОУ ВПО «Южно­Уральский государственный университет»

Защита состоится «17» декабря 2010 г., в 9 часов на заседании  диссертационного совета Д 220.069.01 при ФГОУ ВПО «Челябинская  государственная агроинженерная академия» по адресу: 454080, г. Че­ лябинск, пр. Ленина, 75.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Челябинской  государственной агроинженерной академии.

Автореферат разослан «15» ноября 2010 г. и размещен на офици­ альном   сайте   ФГОУ   ВПО   «ЧГАА»  http     ://www.csaa.ru «16»   ноября     2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Возмилов А.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Современное снабжение населения Россий­ ской Федерации овощной продукцией сельского хозяйства в условиях  резкой неоднородности посевных площадей и рискованного земледе­ лия   в   большинстве   регионов  является   проблематичным.   Во   многих  регионах выращивание овощей невозможно или требует несоразмер­ ных затрат. В таком случае проблема нехватки овощной продукции ре­ шается с помощью транспортировки из других регионов, причем теря­ ется значительная часть отгруженной продукции. Это связано с тем,  что, как правило, транспортировка производится в осенне­зимний пе­ риод,   когда   среднесуточная   температура   воздуха   опускается   ниже  нуля. Овощная продукция, с её высоким влагосодержанием, при низ­ ких температурах может полностью или частично замерзать, вызывая  необратимые изменения в клеточном составе. Транспортировка овощ­ ной продукции навалом приводит к быстрому распространению фито­ патогенной микрофлоры и, как следствие, к порче значительной части  овощей. Каждая дополнительная перевалка товара приводит к трав­ мированию овощей, что делает их более уязвимыми для болезнетвор­ ных бактерий.

Исследование вопросов по сохранности овощной продукции по­ казало, что снижение потерь при транспортировке невозможно без из­ менения исходных свойств продукции.

Анализ опыта зарубежных стран в деле снижения потерь овощной  продукции   при   транспортировке   показал,   что   необходимо   произво­ дить хотя бы частичную переработку овощей в местах производства.  Так,   обезвоживание   овощей   до   8­12%   влажности   позволяет   снизить  объем   перевозок   втрое,   существенно   сократить   потери   продукции.  Кроме того, переработка на месте производства овощей позволяет ис­ пользовать некондиционную по размерам продукцию. Перспективным  способом   обезвоживания   продукции   растениеводства   является   кон­ вективно­лучевая сушка.

Проведя   анализ   существующих   способов   интенсификации   кон­ вективно­лучевой сушки, мы пришли к выводу, что её интенсифика­ ция с помощью коронного разряда изучена недостаточно. В связи с вы­ шеизложенным и была выбрана тема исследования.

Работа выполнена в соответствии с Межведомственной коорди­ национной программой фундаментальных и приоритетных исследова­ ний по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса  РФ на 2006  —  2010 гг. шифр  IX.01 «Разработать систему конкуренто­ способных   экологически   безопасных   технологий   и   комплексы   энерго­ сберегающих машин нового поколения для производства приоритетных  видов сельскохозяйственной продукции».

Цель   работы:  повышение   эффективности   конвективно­лучевой  сушки продукции растениеводства путем активации сушильного агента  электрическим ветром.

Задачи исследования:

1. Провести теоретическое исследование влияния электрического  ветра на процесс конвективно­лучевой сушки овощей.

2. Провести экспериментальное исследование по интенсификации  электрического ветра в зависимости от конструктивных параметров ко­ ронно­разрядной системы сушильной установки и температуры воздуш­ ной среды.

3. Провести   экспериментальное   исследование   по   определению  влияния электрического ветра на динамику процесса конвективно­луче­ вой сушки овощей.

4. Разработать рекомендации по модернизации установок конвек­ тивно­лучевой сушки с учетом результатов исследований и определить  технико­экономическую   эффективность   установок   конвективно­луче­ вой сушки с использованием электрического ветра.

Объект исследования:  процесс сушки овощей в конвективно­лу­ чевых сушильных установках с использованием электрического ветра.

Предмет   исследования:  закономерности   процесса   конвектив­ но­лучевой сушки овощей с использованием электрического ветра;

 взаи­ мосвязь между его параметрами.

Научная новизна основных положений,  выносимых на защиту:

1. Предложено   аналитическое   выражение,   учитывающее   влияние  основных   параметров   поля   коронного   разряда   на   скорость   испарения  влаги из высушиваемого материала.

2. Предложен сравнительный критерий, учитывающий сокращение  продолжительности конвективно­лучевой сушки в результате интенси­ фикации и позволяющий проводить сравнительную оценку энергетиче­ ской эффективности сушильных установок.

3. Получено   аналитическое   выражение   для   расчета   температуры  нагрева тел, коэффициент теплоотдачи которых линейно зависит от тем­ пературы.

4. Определена корреляционная зависимость, учитывающая влияние  массы испаренной из высушиваемого продукта влаги на силу тока ко­ ронного разряда.

Практическая значимость работы и  реализация ее результатов Разработаны рекомендации для  проектирования   сушильных   уста­ новок с использованием поля коронного разряда, генерирующего элек­ трический ветер, которые могут быть использованы в НИИ, КБ и других  организациях   при   проектировании   конвективно­лучевых   камерных   су­ шильных установок.

Модернизированная сушильная установка, отличающаяся наличием  дополнительных   коронирующих   электродов   над   лотками   с  продуктом  (конструкция   защищена   патентом   РФ),   позволяет   интенсифицировать  конвективно­лучевую сушку растительной продукции.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований ис­ пользуются   в   учебном   процессе   Челябинской   государственной   агро­ инженерной академии, а также при проектировании сушильных устано­ вок в ГП ЦКТБ «Агротех».

Апробация работы. Результаты исследований докладывались, об­ суждались и получили одобрение на ежегодных международных науч­ ных   конференциях   ЧГАУ   (Челябинск,   2004­2009   гг.);

  ИжГСХА  (2008 г.).

Публикации.  Основное  содержание  диссертации  опубликовано   в  четырех научных статьях. Получен патент РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состо­ ит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы (из 98  наименований), приложений;

 содержит 126 страниц основного текста, в  том числе 37 рисунков, 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» при­ ведены результаты анализа литературных источников, из которого сле­ дует, что хранение и транспортировка продукции растениеводства часто  не соответствуют санитарным нормам и нуждаются в совершенствова­ нии. Существует ряд способов переработки продукции растениеводства  в местах производства с целью снижения её влажности, что позволяет  существенно снизить потери при транспортировке и хранении.

Исследованиями и разработкой способов тепловой сушки продук­ ции   растениеводства   занимались   Ребиндер П.А.,   Лыков А.В.,   Липа­ тов С.М., Кавказов Ю.Л., Гинзбург А.С., Лебедев П.Д. и другие.  Одним из наиболее перспективных способов сушки является кон­ вективно­лучевая сушка, комбинирующая подвод теплоты к высушивае­ мому продукту нагретым воздухом и инфракрасным излучением специ­ ально подобранной длины волны. Данный способ сушки позволяет в наи­ более   щадящем   режиме   обезвоживать   нарезанные   соответствующими  размерами продукты. Однако в связи с особенностями испарения влаги  такая сушка является продолжительным и энергоемким процессом.

Исследованиям и разработке способов интенсификации сушки про­ дукции   растениеводства   посвящены   работы   Раджабова А.А.,   Сороча­ ну Н.С.,   Попова А.М.,   Зеленко В.И.,   Казимирова А.Н.,   Ульриха Н.Н.,  Троцкой Т.П., Пожелене А., Печенкина И.М., Меляковой О.А. и других.

К способам интенсификации сушки относятся:

предварительная электроискровая обработка материала;

предварительная обработка материала электрическим током;

предварительное   охлаждение   сушильного   агента   для   конденса­ ции водяных паров;

предварительная   обработка   сушильного   агента   сорбентами   для  уменьшения его влажности;

предварительная ионизация сушильного агента;

сушка в поле коронного разряда.

Предварительная   обработка   материала,   как   правило,   преследует  цель   повреждения   оболочки   клеток   растительного   материала,   за   счет  чего сушка ускоряется на 40­50%, но усложняются условия хранения и  может стать невозможным последующее восстановление продукта.

Понижение влажности сушильного агента на процесс сушки оказы­ вает слабое влияние и усложняет сушильную установку. Охладительная  камера или батарея сорбентов повышают аэродинамическое сопротивле­ ние  конвективному  потоку, что  приводит  к  необходимости  установки  вентиляторов. В свою очередь при установке вентилятора повышаются  требования к чистоте воздуха, поскольку сушильная установка интен­ сивно запыляется, ухудшая санитарно­гигиенические свойства продукта.

Предварительная ионизация сушильного агента с целью насыщения  его озоном достаточно просто позволяет дифференцировать выделение  теплоты в зависимости от влажности высушиваемого продукта, но такой  способ применим только для сушки растительной продукции при  нор­ мальных условиях. Повышение температуры сушильного агента приво­ дит к интенсивному разложению озона и уменьшению полезного эффек­ та.

Сушка в поле коронного разряда применялась для обезвоживания  травы при нормальных условиях;

 она недостаточно полно изучена. В на­ чале сушки продукт свободно выделяет влагу из капилляров в окружаю­ щее пространство, повышая начальную влажность воздуха и изменяя тем  самым диэлектрическую проницаемость и удельное сопротивление воз­ духа. В зависимости от объема закладки продукта, его начальной влаж­ ности и времени сушки, при одном и том же напряжении поля коронного  разряда   получаются   далеко   не   одинаковые   величины   электрического  тока, следовательно, и разные по интенсивности воздействия.

Повышение   температуры   сушильного   агента   позволяет   ослабить  колебания характеристик сушильного агента, снизить его относительную  влажность и удельное сопротивление. Получаемое таким образом увели­ чение электрического тока приводит к интенсивному образованию элек­ трического ветра, с помощью которого можно изменить режим сушки.

Помимо   электрического   ветра,   в   поле   коронного   разряда   может  происходить озонообразование, в связи с чем были рассмотрены вопро­ сы озоногенерирования и воздействия озоном на растительные материа­ лы. Известно, что озонообразование идет интенсивнее при большей силе  тока короны. Однако разложение озона интенсифицируется при повыше­ нии   температуры   воздуха.   Высокие   концентрации   озона   эффективно  дезинфицируют обрабатываемые продукты.

На основе проведенного анализа состояния вопроса были определе­ ны задачи исследования.

Вторая глава «Теоретические исследования поля коронного раз­ ряда в нагреваемой среде» посвящена исследованию механизма взаим­ ного   влияния   электрического   ветра,   генерируемого   полем   коронного  разряда, и конвективно­лучевой сушки.

В связи с высокой сложностью расчетов и недостаточной разрабо­ танностью теории сушки капиллярно­пористых тел аналитические рас­ четы проводились для оценки обобщенных параметров сушильных уста­ новок.

В общем случае скорость электрического ветра между коронирую­ щим и заземленным электродами определяется по формуле IL, (1) u 0x= k в A где IL – линейный ток поля коронного разряда, А/м;

k – подвижность ионов, м2/(Вс);

в – плотность воздуха, кг/м3;

A – постоянный коэффициент, характеризующий геометрические ха­ рактеристики коронирующей системы.

Наиболее   простое   распределение   вихрей   электрического   ветра   в  коронирующей системе «ряд проводов — плоскость» показано на рисун­ ке 1.

Рисунок 1 — Распределение потоков электрического ветра в системе электродов «ряд проводов между плоскостями»

Необходимо отметить, что электрический ветер в разных сечениях  А1 и А2 имеет разное направление. В сечении А1 направление потока  воздуха обусловлено непосредственно силами Кулона, в сечении А2 —  разностью давлений возле пластин и в центральном сечении.

Если предположить, что пластины проницаемы для дополнительно­ го   конвективного   потока,   то   электрический   ветер   вызовет   искажения  воздушного потока (рисунок 2).

В зоне I конвективный поток и электрический ветер противодей­ ствуют друг другу, давление в сечении А1 повышается и смещает поток  в сечение А2. Чем выше перепад давлений в этих сечениях, тем ближе  конвективный поток к траектории электрического ветра.

В зоне II конвективный поток и электрический ветер движутся по  одной траектории.

В зоне III электрический ветер создает разрежение в сечении А1. За  счет разности давлений в сечениях А1 и А2 воздушный поток смещается  в сечение А1 и таким образом удаляется через верхнюю пластину.

Рисунок 2 — Схема влияния потоков электрического ветра в системе электродов «ряд проводов между плоскостями» на воздушный поток, перпендикулярный коронирующим и плоским электродам Известно, что над поверхностью жидкости или над влажным про­ дуктом создается область повышенной влажности, препятствующая ис­ парению. Электрический ветер, турбулизируя конвективный поток су­ шильного агента, изменяет область повышенной влажности (рисунок 3).

а) б) Рисунок 3 – Уменьшение толщины слоя влажного воздуха над влажным про­ дуктом под действием электрического ветра в системе коронирующих элек­ тродов «проволочный электрод – плоскость»: а) без коронного разряда;

 б) с коронным разрядом;

 1 – заземленный электрод (лоток для про­ дукта);

 2 – продукт;

 3 – граница области повышенной влажности (пограничного слоя);

 4 – проволочный коронирующий электрод;

 5 – поток  электрического ветра;

 6 – основной воздушный поток Благодаря такому действию электрического ветра, сушка происхо­ дит легче, за счет чего скорость её будет повышаться. При этом извест­ ные зависимости режима конвективно­лучевой сушки изменяются, как  показано на рисунке 4.

Рисунок 4 – Искажение кривых скорости сушки u(t) и температуры сушильного агента (t) в результате действия электрического ветра:

u0(t), 0(t) – естественные кривые скорости сушки и температуры  сушильного агента соответственно;

 u1(t), u2(t) – кривые скорости сушки под  действием электрического ветра соответственно меньшей и большей  величины;

 1(t), 2(t) – кривые температуры сушильного агента под  действием электрического ветра соответственно  меньшей и большей величины Наибольшие искажения претерпевает вторая фаза сушки. При этом  температура сушильного агента становится значительно выше темпера­ туры окружающей среды, за счет чего повышается сила тока поля ко­ ронного разряда, следовательно, и скорость электрического ветра. Тур­ булизация сушильного агента приводит к улучшению условий удаления  свободной влаги из продукта.

В третьей фазе скорость сушки понижается в связи с тем, что сво­ бодная влага межклеточного пространства уже удалена, досушка произ­ водится только с целью удаления несвязанной влаги из внутриклеточно­ го пространства.

В целом в результате такого изменения режима средняя скорость  сушки повышается и общее время сушки сокращается. Увеличение сред­ ней скорости сушки зависит от интенсивности электрического ветра и  может быть определено по формуле u=k II V =k UU U U 0, (2) где  kI  –  коэффициент пропорциональности по объемному току короны,  м3/Ач;

IV – средний за время сушки объемный ток короны, А/м3;

kU  –  коэффициент   пропорциональности   по   напряжению   коронного  разряда, 1/Вч;

U – напряжение поля коронного разряда, В;

U0 – напряжение зажигания коронного разряда, В.

Для   анализа   эффективности   интенсификации   предложенным  способом может быть использован коэффициент полезного действия су­ шильных установок. Однако коэффициент полезного действия учитыва­ ет  только   энергетические  показатели   сушки,   не  касаясь  качественных  характеристик сушильной установки. В связи с этим нами предложен но­ вый сравнительный критерий оценки сушильных установок, который мо­ жет быть определен по формуле mс K ээ=, (3) P1 t с где mс – масса сухого продукта, соответствующего по своим свойствам  ГОСТу, кг;

P1 – мощность ТЭНов сушильной установки, кВт;

tс – общее время сушки продукта до конечной влажности, ч.

Для разных установок  Кээ  зависит не только от размеров рабочей  зоны,   но   и   от   корректности   выбора   этой   зоны.   Например,   сушильные  установки, не обеспечивающие равномерность сушки, будут иметь мень­ ший  Кээ, несмотря на возможность получения одинаковых КПД  при их  сравнении. Оценить равномерность сушки можно по равномерности тем­ пературного поля поддона с высушиваемым материалом.

Помимо электрического ветра в поле коронного разряда образует­ ся озон, который может влиять на скорость конвективно­лучевой сушки.  Известно, что время жизни молекулы озона зависит от температуры воз­ духа. На основании этого для оценки степени влияния генерируемого в  поле коронного разряда озона на процесс конвективно­лучевой сушки  была  определена  динамика  разогрева  сушильной  установки.  При  этом  были учтены полученные Меляковой О.А. экспериментальные данные о  коэффициенте теплоотдачи, линейно зависящем от температуры.

Уравнение теплового баланса для нагревателя при допущениях, со­ ответствующих классическим, и при условии коэффициента теплоотда­ чи, линейно изменяющегося с ростом температуры, может быть записано  в виде P dt=C d 0 k A Н dt, (4) где P – мощность нагревателя, Вт;

C – совокупная теплоемкость нагревателя, Дж/К;

0 – постоянное слагаемое коэффициента теплоотдачи нагревателя,  равное теплоотдаче нагревателя при начальных условиях, Вт/м2К;

k – коэффициент, учитывающий увеличение теплоотдачи нагревате­ ля при росте его температуры, Вт/м2К2;

АН – площадь теплоотдающей поверхности нагревателя, м2;

 – превышение температуры нагревателя над температурой окружа­ ющей среды, К;

t – время, с.

Опуская эквивалентные преобразования, дифференциальное урав­ нение (4) можно представить в виде t t 1 p th 1th B B, (5) t = уст t t 1 p th 1 p th B B где уст – установившееся превышение температуры тела над температу­ рой окружающей среды (уст  0 и уст  0 при нагреве), К;

0 D ;

(6) уст= 2k 0  –  начальное превышение температуры (0  0  при расчете охла­ ждения или при ненулевых начальных условиях нагрева), К;

р  –  параметр  кривизны,   конкретизирующий   кривую   нагрева   из  се­ мейства кривых (p  1 при нагреве, p  1 при охлаждении, p = 1 при не­ значительном изменении коэффициента теплоотдачи, когда выражение  (5) превращается в классическую зависимость из теории нагревательных  печей);

2 k 0 0 0 X p= ;

(7) = D уст X Х  –  условный показатель превышения температуры, характеризую­ щий свойства нагревателя по теплоотдаче, К;

T OC ;

(8) X = 2 k ТОС – температура окружающей среды, К;

B – постоянная процесса нагрева, с;

C B=2, (9) D где D – дискриминант параметрической части дифференциального урав­ нения нагрева (4), Вт2/м4К2;

k P D= 04. (10) AH Время разогрева приближенно определяется по формуле t H =2,65 B. (11) Таким   образом,   установившееся   превышение   температуры   слабо  зависит от начальных условий, что подтверждается известными экспери­ ментальными исследованиями. Так, опытная сушильная установка дохо­ дит до номинального режима уже на 15 минуте разогрева, который слабо  зависит от колебаний температуры окружающей среды. Таким образом,  озонообразование возможно только в первые 15 минут работы установ­ ки. После этого времени за счет повышения температуры ток коронного  разряда, значит, и скорость электрического ветра, будут наибольшими,  что позволяет говорить о значительном влиянии его на сушку.

В   третьей   главе  «Программы   и   методики   экспериментальных  исследований»  изложены   методики   подготовки   материала   к   сушке,  проведения экспериментальных исследований по оценке влияния элек­ трического ветра и сопутствующих явлений (образования озона в про­ цессе сушки).

Программой экспериментов предусматривалось:

– исследовать   зависимость   величины   тока   коронного   разряда   от  основных конструктивных параметров коронно­разрядной системы;

– исследовать характер зависимости скорости сушки растительных  продуктов от напряжения поля коронного разряда;

– исследовать зависимость концентрации озона в рабочем помеще­ нии от режима работы, расстояния до установки и напряжения на коро­ нирующих электродах;

– определить изменение времени сушки и расхода энергии в зависи­ мости от режима работы и напряжения на коронирующих электродах.

Сушильная камера экспериментального стенда на основе сушиль­ ной установки «Урал­4» показана на рисунке  5, электрическая схема  –  на рисунке 6.

Рисунок 5 – Экспериментальный стенд 1 – корпус;

 2 – лотки для закладки материала;

 3, 4, 5 – соответственно верх­ ние, средние и нижние керамические ТЭНы;

 6 – отражатели;

7 – поддон;

 8 – съемная крышка;

 9 – отверстия в корпусе сушилки;

10 – блок управления;

 11 – направляющие полозья;

 12 – окно в передней  панели корпуса;

 13 – проволочные коронирующие электроды (на примере  одного центрально­симметричного) Рисунок 6 — Схема электрическая принципиальная экспериментального стенда Эксперимент с сушкой растительной продукции проводился парал­ лельно в опытной и контрольной идентичных установках с целью умень­ шения степени влияния случайных факторов на результаты эксперимен­ та. Закладываемый продукт подготавливался по стандартной техноло­ гии и после перемешивания разделялся на две равные по массе порции,  которые помещались в опытную и контрольную сушильные установки.

Для оценки влияния вида коронно­разрядной системы на величину  тока   использовались   съемные   рамки   (рисунок  7).   Выбор   проволочных  электродов обусловлен рядом факторов:

– минимальными   габаритными   размерами   коронирующей   системы  (за счет ограниченных размеров зоны, доступной для установки корони­ рующих электродов, уменьшающейся с ростом температуры сушильного  агента);

– наибольшими   надежностью   и   простотой   коронно­разрядной   си­ стемы;

– равномерностью коронного разряда над продуктом параллельно  керамическим ТЭНам.

Рисунок 7 — Рамки с проволочными коронирующими электродами I – рамка с одним центрально­симметричным проволочным электродом;

II – рамка с двумя проволочными электродами;

 III – рамка с тремя проволочными электродами;

 1 — рама;

 2 — проволочные электроды В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследова­ ний» проведен анализ экспериментальных данных.

Для определения основных размеров коронно­разрядной системы,  обеспечивающей наибольший объемный ток, над каждым лотком разме­ щались рамки с коронирующими электродами с различными межпрово­ лочными и межэлектродными расстояними. Реализация такой схемы по­ казана на рисунке 8.

При различных коронно­разрядных системах были сняты в четырех  повторностях вольт­амперные характеристики. На основании проведен­ ных исследований был сделан вывод, что при использовании трех и бо­ лее коронирующих электродов появляется эффект взаимного экраниро­ вания. Максимальные  объемный  ток  и  скорость электрического   ветра  достигались при использовании системы из двух проволочных корониру­ ющих   электродов   с   межпроволочным   расстоянием   40 мм   и   межэлек­ тродным расстоянием 45 мм.

Дальнейшие исследования влияния поля коронного разряда на за­ висимости режима конвективно­лучевой сушки проводились с использо­ ванием данной коронно­разрядной системы.

Рисунок 8 – Внутренний вид опытной сушильной установки «Урал­4»

1 – керамические ТЭНы;

 2 – алюминиевые отражатели;

 3 – поддоны для за­ кладки продукта;

 4 – проволочные коронирующие электроды (на примере  рамки с тремя электродами);

 5 – рамка;

 6 – узел натяжения проволочного  электрода;

 7 – узел регулирования высоты рамок Для оценки влияния электрического ветра на динамику конвектив­ но­лучевой сушки проведен эксперимент в четырех  повторностях,  ре­ зультаты которого показаны на рисунках  9, 10, 11. В целом результаты  эксперимента согласуются с результатами теоретического анализа (см.  рисунок 4).

Рисунок 9 – Динамика сушки моркови в опытной и контрольной сушильных установках (Uкр = 10 кВ) Рисунок 10 – Динамика тока коронного разряда, превышения температуры  сушильного агента, скорости сушильного агента и расчетного значения скорости электрического ветра в процессе сушки (Uкр = 10 кВ) Необходимо отметить, что с понижением скорости сушки происхо­ дит пропорциональное увеличение тока коронного разряда. Это связано  с тем,  что  при  уменьшении   скорости   сушки   снижается   влажность   су­ шильного агента, за счет чего уменьшается его теплоемкость, следова­ тельно, увеличивается температура сушильного агента. Это приводит к  снижению сопротивления воздуха в межэлектродном промежутке, росту  тока коронного разряда и скорости электрического ветра.

Рисунок 11 – Изменение скорости сушки продукта в зависимости от напряжения, приложенного к коронирующим электродам Для оценки величины  Кээ  (рисунок 12) проводилось исследование  распределения температуры материала на поддонах с помощью тепло­ вой камеры, которое показало, что высушиваемый продукт нагревается  не выше допустимой по технологии конвективно­лучевой сушки темпе­ ратуры. В целом температурное поле равномерно.

Рисунок 12 – Увеличение Кээ в зависимости от напряжения, приложенного к  коронирующим электродам (при напряжении выше 7 кВ) Концентрация озона в начальный момент сушки в рабочем помеще­ нии не превышала 15 мкг/м3. До сушки и в процессе сушки концентрация  озона в рабочем помещении не превышала естественную. В сушильном  шкафу   наибольшее   значение   концентрации   озона   составляло  –  213 мкг/м3.  При разогреве сушильной установки концентрация озона в  рабочем помещении не отличалась от естественной уже на 15 минуте ра­ боты установки.

Для   оценки   значимости   влияния   озона   на   динамику   конвектив­ но­лучевой сушки проведен дополнительный эксперимент, при котором  поле коронного разряда включалось не одновременно с началом сушки, а  после разогрева сушильной установки (на 15 минуте). В результате экс­ перимента было выявлено, что динамика сушки в целом повторяет зави­ симости на рисунке 9. Существенная разница наблюдалась только в мо­ мент включения поля коронного разряда. Это позволяет сделать вывод о  том, что влияние озона на динамику сушки можно считать незначитель­ ным.

Концентрация  ­каротина   моркови,   высушенной   в   опытной   и  контрольной сушильных установках, различается незначительно (менее  1%). Таким образом, использование поля коронного разряда не наруша­ ет требования технологии конвективно­лучевой сушки овощей.

Пятая   глава  «Оценка   технико­экономической   эффективности  использования разработанной сушильной установки» содержит реко­ мендации для проектирования новых сушильных установок и модерниза­ ции существующих;

 здесь же рассматривается сравнительная оценка су­ шильной установки «Урал­4» до и после модернизации.  При использовании поля коронного разряда в сушильных установ­ ках рекомендуется:

– применять   поле   коронного   разряда   для   камерных   конвектив­ но­лучевых сушильных установок (в этом случае размеры зоны корони­ рования и общий ток коронного разряда установки, потребляемый от ис­ точника высокого напряжения, окажутся наименьшими, за счет чего сто­ имость источника высокого напряжения будет ниже);

– использовать униполярное отрицательное поле коронного разря­ да (за счет большей подвижности отрицательных ионов) при напряжении  на коронирующих электродах в диапазоне 9,5­10,0 кВ (при этом умень­ шение времени сушки достигает 16%);

– использовать систему двух проволочных коронирующих электро­ дов диаметром 0,2...0,3 мм с межпроволочным расстоянием 40±2,5 мм,  расположенных параллельно керамическим ТЭНам;

– выбирать высоту установки коронирующего электрода над уров­ нем лотка с продуктом из диапазона 45±5 мм и не меньше высоты окна  ввода лотков с продуктом.

Отключение сушильной установки может выполняться автоматиче­ ски после удаления некоторой порции влаги с помощью токовых реле,  установленных в цепи питания источника высокого напряжения или в  цепи заземления. Ток отключения может быть определен в зависимости  от массы удаленной влаги:

LK Z, (12) I 0=I L где IL – линейный ток коронного разряда, мкА/м (рисунок 13);

L – длина коронирующих электродов установки, м;

KZ  –  коэффициент,   учитывающий   коэффициент   трансформации  трансформатора и выпрямительной системы источника высокого напря­ жения (KZ  = 1, если реле тока устанавливается в цепи заземления су­ шильной установки);

 – коэффициент полезного действия источника высокого напряже­ ния ( = 1, если реле тока устанавливается в цепи заземления сушильной  установки).

Рисунок 13 — Корреляционная зависимость изменения линейного тока коронного разряда IL в зависимости от массы удаленной влаги (на диапазоне 15­85% от заложенной массы) Для проектируемых сушильных установок рекомендуется экспери­ ментально уточнять параметры этой зависимости.

Независимо   от   принятых   рекомендаций,   при   использовании   ко­ ронного разряда при конвективно­лучевой сушке необходимо соблюдать  следующие требования:

– все металлические нетоковедущие части установки должны быть  надежно   заземлены   с   помощью   нулевого   защитного   проводника   либо,  при его отсутствии, с помощью заземляющего проводника;

– не допускается вынимание лотков при наличии высокого напря­ жения на коронирующих электродах;

 в конструкции сушильной установ­ ки   должны   быть   предусмотрены   замки,   препятствующие   выниманию  лотков при работе поля коронного разряда, или механическая блокиров­ ка, отключающая источник высокого напряжения при попытке вынима­ ния лотка;

– установка должна быть оборудована устройством защитного от­ ключения;

– проволочные коронирующие электроды не должны располагаться  ближе чем на 40 мм к заземленным нетоковедущим частям сушильной  установки;

– все   некоронирующие   части   сушильной   установки,   находящиеся  под высоким напряжением (крюки зацепления, узлы натяжения и др.),  должны располагаться не ближе 30 мм к металлическим нетоковедущим  частям установки.

Результаты технико­экономического расчета показаны в таблице.

«Урал­4» «Урал­4М»

Параметр (контр.) (модерн.) Капитальные вложения, руб. 1600 Сокращение затрат электроэнергии, руб. ­ 238, Годовой положительный эффект, руб. ­ 1884, Срок окупаемости, лет ­ 1, Коэффициент экономической эффективности  ­ 0, (ЕН = 0,2) ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Теоретически   установлено   влияние   электрического   ветра   на  процесс конвективно­лучевой сушки продукции растениеводства, кото­ рое позволяет утверждать, что при использовании поля коронного разря­ да, генерирующего электрический ветер, происходит сокращение време­ ни тепловой обработки высушиваемого материала и, как следствие, сни­ жение энергетических затрат и повышение качества высушиваемой про­ дукции.

2. Экспериментально определено, что электрический ветер наибо­ лее   интенсивен   в   камерных   сушильных   установках   при   следующих  основных конструктивных параметрах коронно­разрядной системы «два  проволочных   электрода   ­   плоскость»:   межпроволочное   расстояние  z = 40±2,5 мм;

 межэлектродное расстояние h = 45±5 мм;

 диаметр прово­ лочных коронирующих электродов d = 0,25±0,05 мм. Такая коронно­раз­ рядная система позволяет получать наибольшую скорость электрическо­ го ветра (до v0 = 0,2 м/с в осевом сечении).

3. Экспериментально определено, что при использовании электри­ ческого   ветра   происходит   изменение   динамики   конвективно­лучевой  сушки, что позволяет сократить время сушки на 16%, вызывая тем са­ мым соответствующее сокращение энергетических затрат на 16%.

4. Разработаны рекомендации для модернизации установок камер­ ной конвективно­лучевой сушки, позволяющие без потери качества вы­ сушиваемых   овощей   сократить   энергетические   затраты   на   16%  (0,34 кВтч/кг) и автоматизировать процесс конвективно­лучевой суш­ ки за счет определения времени окончания сушки. При этом затраты на  модернизацию сушильных установок «Урал­4» окупаются примерно за  1,6 года. Экономический эффект от использования модернизированных  установок составляет 1884 руб./год на установку.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК:

1. Возмилов А.Г., Уразов С.И., Андреев Л.Н. Применение электри­ ческого ветра в технологических процессах АПК // Механизация и элек­ трификация сельского хозяйства, 2008, №7, с. 24­25.

Публикации в других изданиях 1. Быков   В.Г.,   Бабаян   Н.Б.,   Уразов   С.И.   Нагрев   керамического  ТЭНа // Вестник ЧГАУ, 2003, т. 38, с. 81­84.

2. Уразов   С.И.   Энергосбережение   в   процессах   конвективно­луче­ вой сушки // Вестник ЧГАУ, 2005, т. 44, с. 124­125.

3. Возмилов А.Г., Уразов С.И.  О влиянии поля коронного разряда  на конвективно­лучевую сушку продукции растениеводства // Материа­ лы   международной   научно­технической   конференции   «Энергетика   и  энергосбережение». ­ Ижевск: Ижевская ГСХА, 2008, с. 34­37.

4. Сушильная   установка:   Патент   на   полезную   модель   по   заявке  № 2009149555/22(073197) от 30.12.2009. Положительное решение о вы­ даче   патента   на   полезную   модель   05.02.2010.   /   Возмилов А.Г.,   Бы­ ков В.Г., Уразов С.И.

Подписано в печать 08.11.2010 г.

Формат А5. Объем 1,0 уч.­изд.л.

Тираж 100 экз. Заказ №  УОП ЧГАА