Автореферат Интенсификация сушки зерна активным вентилированием с использованием электромагнитного поля СВЧ

На правах рукописи

БУДНИКОВ ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 620:631.365.22


ИНТЕНСИФИКАЦИЯ СУШКИ ЗЕРНА АКТИВНЫМ ВЕНТИЛИРОВАНИЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ СВЧ

Специальность 05.20.02. - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве (по техническим наукам)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Зерноград - 2008

Диссертация выполнена на кафедре информационных технологий Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия»

кандидат технических наук, профессор Васильев Алексей Николаевич

Научный руководитель:


доктор технических наук, профессор Вендин Сергей Владимирович

Официальные оппоненты:


(БелГСХА)

кандидат технических наук Бабенко Алексей Александрович (ФГОУ ВПО АЧГАА)

Научно-технический центр «Техноцентр» Южного федерального университета

Ведущее предприятие:


(НТЦ «Техноцентр» ЮФУ), г. Таганрог Ростовской области

Защита диссертации состоится «_

2008 года в


часов


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)43-3-80

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО АЧГАА, а авторефератом на сайте академии: www.achgaa.ru.

Автореферат разослан «


Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор


2008 г.


»


Н. И. Шабанов


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Климатические условия Южного федерального округа в большинстве случаев позволяют проводить уборку зерновых без применения зерносушильного оборудования. Использование скороспелых гибридов подсолнечника, значительное уменьшение площадей, засеваемых кукурузой, также способствуют тому, что зерносушильное оборудование менее востребовано в зернопроизводящих 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, хорошо вписываются в любую конфигурацию технологического процесса. Предпочтение стоит отдать бункерам активного вентилирования, поскольку они занимают малую площадь и обладают большой вместительностью, имеют относительно небольшую 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 расширит их функциональные возможности и будет способствовать сохранности убранного 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 последующей 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 теплотехники, основы теории сушки коллоидных капиллярно-пористых тел, теория распространения и взаимодействия с диэлектриками поля СВЧ, элементы теории подобия, методы математической статистики и регрессионного анализа, прикладное программное обеспечение в виде офисных программ общего назначения и специализированных математических пакетов.

Научная новизна состоит в следующем:

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 количество 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 доложены 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 таблиц и 68 рисунков.

Список цитируемой литературы представлен 126 источниками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, изложены состояние вопроса, цель и задачи исследований.

В первой главе «Анализ состояния вопроса и задачи исследования» произведен анализ целей использования сушки и активного вентилирования зерна, в зависимости от состояния зернового слоя приведена классификация зерносушильного 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:

водностью и за счет уменьшения тормозящего действия термовлагопроводно-сти, то есть путем повышения градиента влагосодержания Vu и коэффициента внутренней диффузии влаги ат, а также уменьшения градиента температуры V9.

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 интенсификации 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 энергозатрат и времени сушки, является применение воздействия на зерновой материал электрического поля микроволнового диапазона. Как и применение озоновоздушной смеси (ОВС), использование энергии СВЧ полей имеет многофункциональное назначение. Использование энергии электромагнитного поля СВЧ частот в сушке, в отличие от других методов, приводит к наложению интенсифицирующих действий. Одновременно увеличивается давление паров АР в обрабатываемом материале и градиент температуры не препятствует влагопереносу внутри продукта, так как. он разогревается изнутри.

Основные теоретические и экспериментальные работы, связанные с изучением закономерностей высокочастотного и сверхвысокочастотного нагрева и применением 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 углублены 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 показал, 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 сушимом материале, что может привести к порче зерна. Также исследовалось применение резонаторных камер, в которых зерно занимает часть зоны СВЧ активации. Еще одним решением стало применение последовательно расположенных маломощных магнетронов, например, в случае конвейерной сушилки, но за счет высокой скорости движения ленты и неравномерности распределения СВЧ поля в материале слой зерна должен быть тонким (2,5-3см). Это приводит к увеличению длины транспортера и увеличению количества магнетронов на нем для обеспечения разогревания материала до необходимой температуры.

Существующие сушилки, использующие комбинированное воздействие конвективного и СВЧ нагрева, охватывают, практически, весь спектр типов сушилок. Однако интенсифицирующее воздействие поля микроволнового диапазона для интенсификации сушки в бункерах активного вентилирования до сих пор не использовалось.

Научная гипотеза: повышения скорости сушки зерна можно достичь повышением градиента давления водяных паров сушимого материала, АР, и снижением градиента температуры, А0 за счет поочередного использования нагрева зерна 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 распределения температурного поля в зоне СВЧ активации, а также зависимости действующей 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:

Коэффициент конвективного теплообмена ар (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 скорости 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:

Необходимо подчеркнуть, что полученные выражения являются приближенными 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 зерновке 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 вентилирования обрабатываются большие объемы зерна и процесс это достаточно длительный, то технологическое оборудование не позволит своевременно воспользоваться эффектом «быстрого» роста давления влаги внутри зерна, поэтому нет смысла в увеличении мощности магнетронов в активной зоне. Представляется це


Данная система уравнений позволит оценить влияние СВЧ активации на интенсивность сушки зерна в бункерах активного вентилирования. В большей части она носит качественный характер, но позволяет сравнительно оценить эффективность использования СВЧ.

В третьей главе «Выбор факторов и методика проведения экспериментальных исследований» описана методика проведения экспериментов и оборудование, использованное для этих целей.

Для проведения экспериментальных исследований использовалась лабораторная установка, включающая в себя активную зону, блок питания, тепловентиляционный блок с воздуховодами. Для контроля и записи температуры использовали хромель-копелевые термопары, подключаемые к персональному компьютеру с помощью аналогово-цифрового преобразователя. Для измерения температуры в центре зерновки в ней проделывали углубление по диаметру термопары и встраивали термопару внутрь. Термопара находилась в центре зерновки в течение всего времени эксперимента. Для проведения исследований зерно засыпали в активную зону. В активной зоне установлен магнетрон (Рн =0,9кВт, f = 2,45ГГц). Для разбиения 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 процессе 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 толщины зернового слоя в активной зоне, влажности зерна, мощности магнетронов, количества рядов магнетронов, расстояния между рядами магнетронов, рабочей частоты 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 цикличности (повторности) СВЧ нагрева на динамику нагрева зерна, в зависимости от исходной влажности зерна и от расположения в активной зоне. Кроме этого необходимо было установить, как будет влиять перемешивание зерна, при движении его через активную зону, на динамику нагрева.

Далее проводился эксперимент для построения регрессионной зависимости Д© = f (Qv, W, т). 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 графиков (рисунок 3).

Из графиков видно, что имеется влияние разогрева термопары на измерения температуры в центре и на поверхности зерновки. Данное влияние не сказывается на динамике нагрева и охлаждения зерновки. Особенно это наглядно на скорости изменения температур после прекращения действия СВЧ поля. Скорость изменения 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 измерения 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 диэлектрической проницаемости частей зерновок.

Обработку результатов эксперимента по распределению температурного поля, создаваемого одним магнетроном по объему активной зоны проводили с использованием программы MATLAB в прикладном пакете Statistics Toolbox. С помощью встроенных функций пакета Statistics произведен расчет параметров и выполнено построение графиков для полученной регрессионной модели.

По данному уравнению построен объемный график (рисунок 4) распределения 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 обработке СВЧ полем, графики привели к нулевым начальным условиям и построили в одной координатной сетке. Линии тренда экспериментальных графиков, для влажности 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.

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%. Изменение (уменьшение) скорости нагрева зерна тем больше, чем ближе слой расположен к магнетрону. Это необходимо учитывать при управлении магнетронами в активной зоне.

Кроме этого исследовалось влияние перемешивания зерна в активной зоне на равномерность его нагрева. Установлено, что конструкция активной зоны должна быть такой, чтобы обеспечить максимальное перемешивание зерна при его дви-


С учетом теоретических и экспериментальных исследований, представленных в диссертационной работе фирмой «ООО АСТ» г. Таганрог, разработана СВЧ активная зона для нагрева зерна. При разработке активной зоны использованы следующие 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 динамику 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 интенсификации процесса сушки зерна активным вентилированием. Чистый дисконтированный доход на 1 т сушимого зерна (в расчете на 7 лет) составил 57,77 рублей.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

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 интенсификации 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. ВестникМГАУ. Выпуск 3/1.М., 2007.С. 27-29.

2.    Будников, Д.А. Расчет коэффициента конвективного теплообмена при СВЧ сушке зерна [Текст] /А.Н. Васильев, Д.А. Будников, Б.Г. Смирнов //Механизация и электрификация сельского хозяйства.— 2007.- №11. - С 20-21.

3.    Будников, Д.А. Анализ возможностей интенсификации сушки зерна элек-троактивированными средствами [Текст] / Д. А. Будников // Электротехнологии и электрооборудование в сельскохозяйственном производстве: Сб. науч. трудов / АЧГАА.- Зерноград, 2005. - С. 26-29.

4.    Будников, Д.А. Проблемы и возможности использования СВЧ для сушки зерна [Текст] / Д.А. Будников // Проблемы исследования и проектирования машин. - Пенза, 2006. - С. 113 - 115.

5.    Будников, Д.А. Экспериментальная установка и планирование эксперимента 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— Ставрополь: АРГУС, 2006. - С. 103-107.

6.    Будников, Д.А. Экспериментальная установка и планирование эксперимента 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.

7.    Будников, Д. А. Предварительные результаты эксперимента по СВЧ сушке зерна [Текст] / А.Н. Васильев, Д.А. Будников, Б.Г. Смирнов // Электротехнологии и электрооборудование в сельскохозяйственном производстве: Сб. науч. трудов / АЧГАА. - Зерноград, 2007. - Т.1. -.С.78-81.

8.    Будников, Д.А. Использование теории подобия для описания СВЧ сушки зерна [Текст] / А.Н. Васильев, Д.А. Будников, Б.Г. Смирнов // Электротехнологии и электрооборудование в сельскохозяйственном производстве: Сб. науч. трудов / АЧГАА. - Зерноград, 2007. - С.72-77.

9.    Будников, Д.А. Модель распределения температуры нагрева зерна по объему СВЧ активной зоны [Текст] / А.Н. Васильев, Д.А. Будников, Б.Г. Смирнов // Электротехнологии и электрооборудование в сельскохозяйственном производстве: Сб. науч. трудов / АЧГ АА. - Зерноград, 2007. - С.78-81.

10.    Будников, Д.А. Исследование возможности использования термопар в СВЧ активной зоне [Текст] / А.Н. Васильев, Д.А. Будников, А.А. Васильев, Д.А. Филоненко // Электротехнологии и электрооборудование в сельскохозяйственном производстве: Сб. науч. трудов / АЧГАА. - Зерноград, 2007. - С.82-85.

ЛР 65 - 13 от 15.02.99. Подписано в печать 5 февраля 2008г. Формат 60x84/16. Уч.-из. л. 1.1. Тираж 100 экз.Заказ №568.

РИО ФГОУ ВПО АЧГАА 347740, г.Зерноград, Ростовской области, ул. Советская, 15.