Процессы сушки зерновых материалов с использованием СВЧ-нагрева Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

эту проблему. В то же время авитаминоз превращается в национальное бедствие. «Солнечное голодание», имеющее место в дошкольных и учебных заведениях, промышленных зданиях без окон, животноводческих помещениях и многих других случаях, требует обеспечения установками искусственного УФ-А и УФ-В облучения в диапазоне длин волн 280...380 нм. В настоящее время ОбУ используется бессистемно, санэпиднадзора нет.

Введением искусственного облучения и эффективного использования видимого и ультрафиолетового излучения можно обеспечить защиту населения и улучшить здоровье нации.

Список литературы

1. Микаева, С.А. Использование амальгамного регулирования давления паров ртути в КЛЛ / С.А. Микаева, А.С. Федоренко // Светотехника. — 2003. — № 2. — С. 31-32.

2. Кабата-Пендиас, А. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас. — М.: Мир, 2089. — 440 с.

3. Об использовании профилактического ультрафиолетового облучения / Р.Ф. Афанасьева [и др.] // Светотехника. — 2000. — № 1. — С. 18-20.

4. Коваленко, О.Ю. Действие оптического излучения на биообъекты / О.Ю. Коваленко, С.А. Овчукова // Инженерная физика. — 2008. — № 2. — С. 33-38.

УДК 620:631.365.22

А.Н. Васильев, доктор техн. наук

Н.Б. Руденко

Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия С.В. Маркова, канд. техн. наук

Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина

ПРОЦЕССЫ СУШКИ ЗЕРНОВЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЧ-НАГРЕВА

Воздействие на зерновку электрическим полем приводит к поляризации ее молекул. В семенах наблюдается атомная и упругая дипольная поляризация. Атомная поляризация происходит в молекулах, которые содержат атомы различного рода, что характерно для молекул всех анатомических частей зерновки. Упругая дипольная поляризация характерна для молекул, которые представляют собой естественные полярные образования. К таким молекулам относятся молекулы воды.

При поляризации в молекуле создается вращательный момент, который смещает ее и старается переориентировать вдоль линий поля [1]:

(1)

где д — дипольный момент; Q — заряд атома, Кл; С — расстояние между атомами, м.

Удельная мощность, рассеиваемая в диэлектрике при воздействии СВЧ-поля, определяется из выражения [1]:

Qv = 5,56 • 10

-пг„Е2/ = 2р/£2є0єт

(2)

где е — действительная часть диэлектрической проницаемости материала; Е — напряженность электрического поля, В/см; / — частота колебаний, Гц; е0 — диэлектрическая проницаемость вакуума; е' — мнимая часть диэлектрической проницаемости материала; — тангенс угла диэлектрических потерь.

Глубина проникновения электромагнитного поля в материал также зависит от его диэлектрических свойств и описывается уравнением

Н _

Х0

X рУе7 _ ,

2 пе" 2 ’

(3)

где Х0 — длина волны в вакууме, м.

При смене направления электрического поля вращательный момент выполняет переориентировку молекул в новом направлении. При переменном электрическом поле молекула постоянно будет находиться в колебании. За счет сил молекулярного трения выделяется тепло, которое разогревает зерновку изнутри, по всему объему. На этом основан принцип СВЧ-нагрева материалов, в том числе и сушки зерна.

Длина волны в материале, подвергаемом воздействию СВЧ-поля, зависит от свойств диэлектрика

X п

_ '^0 Х д = 7^ •

(4)

Поскольку в выражениях (1), (2), (3), описывающих основные показатели процесса СВЧ-нагрева, величины 2, й, е', е", Хд зависят от свойств ди-

электрика, то целесообразно рассмотреть их особенности для зерновки.

Анатомически зерно разделяется на три главные части — эндосперм, зародыш и окружающие их оболочки. Для зерна пшеницы относительное весовое содержание анатомических частей зерна в процентах сухого вещества составляет: оболочки — 5,6...8,9; эндосперм — 83,3...93,9; зародыш со щитком — 1,4...3,8.

В одном зерне клетки эндосперма в зависимости от расположения относительно поверхности зерновки отличаются как по размеру, так и по типу заполняющих их крахмальных зерен. Содержание основных химических компонентов также неодинаково для разных анатомических частей зерновки.

Энергетический уровень активных веществ макромолекул зерновки не является величиной постоянной, а зависит от многих факторов. Поэтому количество молекул сорбируемой воды активными центрами будет различным. Распределение влаги по зерновке неоднородное и не остается постоянным. Анатомический состав зерновки определяет распределение влаги по ее объему и количественное содержание в различных частях.

Немаловажное значение для влагопереноса внутри зерна имеет наличие капилляров. У зерновки отсутствуют макрокапилляры, т. е. капилляры, радиус которых больше 10-5 см. Такие капилляры появляются только при влагосо-держании около 40 %. По данным Г.А. Егорова [2], превалирующим диаметром капилляров зерна пшеницы является 2,0...2,5 нм. При повышении температуры возрастает суммарная емкость капилляров и их общее количество. Так при влагосодержании 20 % и температуре 25 °С радиус капилляра равен 1,9 нм, а при 50 °С — 2,25 нм.

При влагосодержании 32 % разность радиусов возрастает до 6 нм.

С учетом того, что размер молекулы воды составляет 0,3 нм, микрокапиллярные промежутки эндосперма при нагреве могут достигать 2,25 нм, а макрокапилляры поверхности зерна — порядка 100 нм, то вывод влаги с поверхности зерновки будет происходить интенсивнее, чем ее продвижение внутри зерна [3].

В поле СВЧ молекулы эндосперма будут постоянно менять пространственную ориентацию,

поэтому размер межмолекулярных промежутков, их конфигурация не будут в процессе сушки оставаться постоянными. Это будет создавать дополнительные препятствия для продвижения влаги к поверхности зерна. Существенное значение может иметь и равномерность распределения влаги по анатомическим частям зерновки. Экспериментальные данные [2] показывают, что гидрофиль-ность анатомических частей зерновки не одинакова и зависит от влагосодержания.

Проведенные [4] экспериментальные исследования СВЧ-нагрева семян пшеницы, нута, фасоли подтвердили неравномерность нагрева семян по объему. Особенно хорошо это видно на семенах фасоли (рис. 1а), где показания термопар значительно отличаются для различных анатомических частей зерновки.

Поскольку влажность, а следовательно, и диэлектрическая проницаемость внутренних слоев зерна больше, чем внешних, то при воздействии СВЧ-полем в большей степени зерновка нагревается изнутри. Таким образом, ликвидируется недо-

3 12 5

Время, с

0 50 100 150 200 250 300

Рис. 1. Термопары (1...5) в зерновке фасоли:

а — размещение; б — кривые «нагрев в СВЧ-поле — охлаждение» зерновки фасоли влажностью Жз = 20 %; 1 — термопара внутри зерновки;

2 — термопара перед поверхностью зерновки; 3 — термопара на поверхности зерновки; 4 — термопара в торце внутри зерновки;

5 — термопара в СВЧ-камере

статок конвективной сушки — противоположная направленность градиентов температуры и влажности. Движущими силами СВЧ-сушки являются градиент температур и градиент давления паров жидкости внутри тела [5]. Теоретические исследования [6] позволили получить функциональные зависимости изменения давления пара Р в зерновке при СВЧ-нагреве и после снятия СВЧ-воздействия:

Р (т) =

2Х(0Ц -0П)-0Я2 -

- 3,176аррц г 'РзСу

г 'Рз^Я

Р (Т1) =

т + с,

а п

т,0,25-^

1 Я2

где т — продолжительность нагрева, с; X — коэффициент теплопроводности зерна, кДж/м-с-°С; ©ц — температура в центре зерновки, °С; ©п — температура поверхности зерновки, °С; Я — определяющий размер материала (для зерна — радиус зерновки), м; ар — коэффициент конвективной диффузии, м2/с; Рц — давление пара в центре зерновки, Па; г' — теплота парообразования, кДж/кг; рз — плотность зерна, кг/м3; су — емкость тела по отношению к влажному воздуху, су = 1/РН, 1/Па; с1 — константа, зависимая от условий эксперимента; Р ц — давление в центре зерновки в момент прекращения действия СВЧ-поля, Па; т1 — время, отсчитываемое с момента прекращения действия СВЧ-энергии; РН — давление пара материала при данном влагосодержании, Па.

Данные зависимости представлены в графическом виде на рис. 2. Их анализ позволяет сделать несколько выводов по конструктивным особенностям СВЧ-сушилок и по управлению процессом сушки.

Так, из графиков видно, что скорость падения давления паров жидкости в микрокапиллярах зерновки составляет 5.10 с. Поэтому зерносушилки, использующие СВЧ-нагрев эпизодически, несколько раз в процессе сушки, будут менее эффективны, чем зерносушилки с постоянным СВЧ-воздействием. Однако необходимо организовать сушку таким образом, чтобы не происходило перегрева зерна. Поэтому нет смысла использовать в зерносушилках магнетроны большой мощности. Целесообразно применение магнетронов мощностью до 1 кВт. В этом случае появляется возможность использовать СВЧ-активные зоны, полностью заполненные зерном.

При этом необходимо учитывать, что в соответствии с выражением (3) глубина проникновения поля СВЧ для влажного зерна, поступающего в зерносушилку, будет меньше, чем после его подсушки.

Эффективное использование давления паров жидкости в зер-

новке, как движущей силы процесса сушки, требует контроля этого параметра. Проведенные исследования [6] показали, что существует корреляционная связь между разностью температур центра и поверхности зерновки и скоростью изменения давления паров влаги в зерновке. При СВЧ-нагре-ве она может быть найдена с использованием выражения

йР

= К ,Д0- К 2;

К =

йт

2Х

4,1864 • 103Р

К =

г 'РзСУЯ 2

499,775РЦ

Я2

Я2

г Рзсv

йР

Коэффициент корреляции между—и Д0 составил 0,999. й т

При релаксации давления коэффициент корреляции между разностью температур Д0 и давлением паров в зерновке Ррел = 0,717. Для временного интервала в 5 с коэффициент корреляции

Д0Р,

= 0,956, для 10 с КД0Р = 0,885. Данные ре-

К

зультаты показывают, что в первые моменты времени (5.10 с) после прекращения действия СВЧ-по-ля на зерновой слой по изменению разности температур между поверхностью зерновки и ее центром можно судить о релаксации давления паров в зерновке, что позволяет организовать контроль данного параметра.

Фирма «АСТ» (г. Таганрог) изготовляет СВЧ-зерносушилки, в которых реализованы некоторые результаты теоретических и экспериментальных исследований по СВЧ-сушке, проводимых в АЧГАА. Разработано несколько модификаций СВЧ-зерносушилок.

Сушилка работает следующим образом. Влажное зерно поступает в СВЧ-активную зону, где про-

т, с

Рис. 2. Расчетная динамика изменения давления в зерновке

исходит его предварительная подсушка. Отвод влаги из СВЧ-активной зоны осуществляется за счет подаваемого в нее теплого воздуха.

Далее зерно норией перегружается в бункерную сушилку с радиальным воздухораспределени-ем. Досушка зерна осуществляется теплоносителем с температурой 40.50 °С. При необходимости зерно может направляться на повторный круг сушки.

ООО «АСТ» (г. Таганрог) изготовлена модификация шахтной зерносушилки, в которой СВЧ-активные зоны располагаются последовательно.

Небольшие габариты СВЧ-активных зон позволяют монтировать их в помещениях завода автоматизированного вентилирования (ЗАВ) после линий очистки. Кроме того, модульный принцип построения позволяет комплектовать зернопункт требуемой мощностью зерносушилки, располагая ее в необходимой точке технологической линии подработки зерна.

В варианте переоборудования ЗАВа в ООО «Мансы» Ярославской области установлены две параллельно работающих СВЧ-конвективные зерносушилки. В зерносушилках осуществляется основной влагосъем. Досушивание проводят в выгрузном бункере ЗАВа, дооборудованном вентиляционными каналами, в которые воздух подают посредством вентиляторов.

Применение СВЧ-активных зон позволяет увеличить производительность оборудования до 30 % при низкотемпературной сушке и на установках активного вентилирования, снизить энергоемкость процесса в зерносушилках шахтного типа. Использование СВЧ-конвективных зерносушилок не требует подвода газовых сетей или применения жидкого топлива.

Список литературы

1. Пюшнер, Г. Нагрев энергией сверхвысоких частот: пер. с англ. / Г. Пюшнер. — М.: Энергия, 1968. — 312 с.

2. Егоров, Г.А. Влияние тепла и влаги на процессы переработки и хранения зерна / Г.А. Егоров. — М.: Колос, 1973. — 264 с.

3. Аксенов, С.И. Вода и ее роль в регуляции биологических процессов / С.И. Аксенов. — Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2004. — 212 с.

4. Исследование возможности использования термопар в СВЧ активной зоне / А.Н. Васильев [и др.] // Электротехнологии и электрооборудование в сельскохозяйственном производстве: сб. науч. тр. Вып. 7. — Зерно-град: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2007. — С. 82-85.

5. Лыков, А.В. Теория сушки / А.В. Лыков. — М.: Энергия, 1968. — 472 с.

6. Васильев, А.Н. Влияние градиента температуры при СВЧ-нагреве на давление пара в зерновке / А.Н. Васильев, Д.А. Будников // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. Агроинженерия. — 2007. — № 3(23). — Ч. 1. — С. 27-29.

УДК 631.22:628.8./9.001.891

В.Г. Борулько, канд. техн. наук

Российский государственный аграрный университет —

Московская сельскохозяйственная академия имени К.А. Тимирязева

АНАЛИЗ КРИТЕРИЕВ И МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ МИКРОКЛИМАТОМ В ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЯХ

Известно, что крупный рогатый скот (КРС) лучше переносит холод, чем жару, так как сам вырабатывает тепло. Чем продуктивнее КРС, тем больше тепла он производит. Также понятна азбучная истина, что самое опасное для КРС — это сквозняки.

Исследование динамики изменения климатических параметров на молочной ферме остается проблемным и становится особенно актуальным при индивидуальном содержании животных. Основная трудность исследований динамики климатических условий состоит в несовершенстве методов и технических средств измерения параметров микроклимата (температура, влажность, тепловые потоки, солнечная радиация, скорость потоков воздуха, загазованность и др.).

22

В животноводческом помещении микроклимат необходимо регулировать с помощью систем управления.

Оценить численно качество управления и успешность решения задачи управления можно с помощью критериев управления. Выбор критерия управления обычно осуществляется в зависимости от характера решаемой задачи, статистических сведений о возмущающих воздействиях, а также на основании опыта и интуиции разработчиков автоматических систем.

К критериям управления микроклиматом в животноводческом помещении обычно предъявляются два общих требования: во-первых, он должен соответствовать поставленной задаче управления, т. е. служить действительной мерой успешности ее выполнения; во-вторых, он должен быть