Использование поля СВЧ при рециркуляционной сушке зерна активным

На правах рукописи

РУДЕНКО НЕЛЛИ БОРИСОВНА

Использование поля СВЧ при рециркуляционной сушке зерна

активным вентилированием

Специальность 05.20.02. – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Зерноград – 2011

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

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор

Васильев Алексей Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор

Ксёнз Николай Васильевич

доктор технических наук,

профессор

Краусп Валентин Робертович

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Московский государственный агроинженерный университетим. В.П. Горячкина

(г. Москва)

Защита состоится «21» декабря 2011 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.001.01 созданного при ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» по адресу: 347740, г. Зерноград Ростовской области, ул. Ленина, 21 (зал заседаний диссертационного совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО АЧГАА.

Автореферат разослан «18» ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук,

профессор Н.И. Шабанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Продовольственная безопасность нашей страны в первую очередь зависит от объема и качества заготовленного продовольственного и фуражного зерна. Однако, для того, чтобы зерно хорошо хранилось, его влажность не должна превышать 14-15%, а для этого зачастую необходимо осуществлять его дополнительную сушку. Необходимость совершенствования технологии сушки зерна обусловлена значительным объемом этой операции, большой удельной энергоемкостью процесса и высокими требованиями к сохранению качества зерна. В этой связи разработка новых ресурсосберегаемых технологий и оборудования, направленных на снижение затрат топлива и электроэнергии, обеспечивающих сохранение качества зерна, имеет определяющее значение для снижения стоимости сушки.

Исследованиями по этой проблеме занимался ряд отечественных ученых: Анискин В.И., Бастрон А.В., Бородин И.Ф., Вендин С.В., Голубкович А.В., Краусп В.Р., Ксенз Н.В., Лыков А.В., Пахомов В.И., Резчиков В.А., Рудобашта С.П., Секанов Ю. П., Ткачев Р.В., Троцкая Т.П., Цугленок Н.В., Чижиков А.Г., Фомичев В.Т., Фомичев М.М. и другие, однако, остается немало неиспользованных резервов, в связи с чем, исследования в этом направлении остаются актуальными.

Снизить энергозатраты на сушку можно за счет интенсификации внешнего и внутреннего процессов тепломассообмена, определяемого режимами и способами сушки, в том числе за счет рециркуляции зерна и воздействия магнитным полем сверхвысокой частоты (СВЧ). Проведенные ранее по данной тематике исследования не содержат ответа на некоторые теоретические вопросы по совершенствованию электротехнологии и разработке оборудования для её реализации. В этой связи сформулирована цель работы и основные задачи исследования.

Целью диссертационной работы является разработка энергосберегающей технологии сушки зерна в бункерах активного вентилирования на основе использования СВЧ-энергии при рециркуляции зерна.

Объектом исследования является процесс рециркуляционной сушки зерна активным вентилированием с использованием поля СВЧ.

Предметом исследования являются зависимости тепло-влагообмена при СВЧ рециркуляции зерна в процессе активного вентилирования.

Методы исследований. В работе использованы теоретические и эмпирические методы исследования. Решения поставленных задач базируются на известных теоретических положениях и экспериментальных данных технологии зерносушения, тепловлагообмена, математической статистики, математического моделирования. Достоверность полученных результатов подтверждена адекватностью разработанных математических моделей и результатами производственных испытаний технологии.

Научную новизну результатов исследований представляют:

• математическая модель, описывающая процессы тепло-влагообмена при рециркуляционной сушке зерна активным вентилированием с использованием поля СВЧ.
• уравнение, описывающее изменение температуры воздуха в межзерновом пространстве при рециркуляционной сушке зерна активным вентилированием с использованием поля СВЧ;
• способ рециркуляционной сушки зерна активным вентилированием с использованием поля СВЧ;
• регрессионная модель состояния зернового слоя при рециркуляционной сушке зерна активным вентилированием с использованием поля СВЧ.

Практическую значимость имеют:

• регрессионные модели, позволяющие выполнить расчеты эффективности использования поля СВЧ при рециркуляционной сушке зерна активным вентилированием по критериям минимума энергозатрат и минимума времени сушки, при определении конструктивных параметров СВЧ активных зон для рециркуляционной сушки зерна активным вентилированием с использованием поля СВЧ;
• системы уравнений, позволяющие оценивать движущие силы процесса сушки зерна при активном вентилировании с использованием поля СВЧ при рециркуляции;
• способ применения поля СВЧ при рециркуляционной сушке зерна активным вентилированием, позволяющий увеличить производительность установки до 30% с обеспечением равномерности высыхания зерна по слою, со снижением энергозатрат не менее чем на 14%.

На защиту выносится:

• математическая модель, описывающая процессы тепло-влагообмена при рециркуляционной сушке зерна активным вентилированием с использованием поля СВЧ;
• уравнение, описывающее изменение температуры воздуха в межзерновом пространстве при использовании поля СВЧ в рециркуляционной сушке зерна активным вентилированием;
• способ рециркуляционной сушки зерна активным вентилированием с применением поля СВЧ;
• регрессионная модель состояния зернового слоя при использовании поля СВЧ в рециркуляционной сушке зерна активным вентилированием.

Реализация результатов работы. Результаты исследований используются в учебном процессе ФГОУ ВПО АЧГАА и фирмой «ООО Аграрные Сверхвысокочастотные Технологии» при разработке технологии сушки зерна с использованием полей СВЧ.

Апробация работы и публикации: Основные положения диссертации доложены и одобрены на научно-практических конференциях по итогам НИР ФГБОУ ВПО АЧГАА (Зерноград, 2003 – 2011г.), ФГОУ ВПО СтГАУ (Ставрополь, 2009г.). По результатам исследований опубликовано 10 статей, в том числе 2 в издании ВАК.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы и приложения.

Работа изложена на 136 страницах компьютерного текста, включая 13 таблиц, 59 рисунков, библиографический список из 114 наименований и 9 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, изложены цель и задачи исследований. Сформулированы научная и рабочая гипотезы диссертационного исследования, краткое содержание работы, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а так же основные научные положения, выносимые на защиту. Приведены сведения о внедрении результатов исследований, апробации, публикациях, структуре и объеме работы.

В первой главе «Современное состояние техники и теории процесса сушки зерна» описана значимость сушки зерна в цепи его послеуборочной обработки. Однако, низкая производительность этих установок, достаточно большая неравномерность высыхания зернового слоя являются факторами, ограничивающими эффективность их применения.

Выполнен анализ вариантов совершенствования процессов сушки, в том числе и активного вентилирования. Показано, что современные тенденции работ в этом направлении, отражающиеся в патентовании конструкций и технологий направлены на реализацию принципа увеличения поверхности контакта фаз. Увеличению кинетических коэффициентов влагопереноса посвящены способы сушки использующие электротехнологию. Большое распространение получили способы применения озона для интенсификации процесса сушки с одновременной дезинфекцией зерна. Вызвала интерес оценка использования электротехнологий в зерносушении с позиций принципа максимума взаимной информации. Показано, что при достаточно невысоких энергозатратах электротехнология может оказывать значительное влияние на величину условной энтропии. Поэтому, управляя величиной электротехнологического воздействия можно управлять реакцией зерновки на основное внешнее воздействие – агент сушки, что существенно влияет на скорость протекания процесса и его энергоёмкость. Еще большего эффекта можно добиться при периодическом электротехнологическом воздействии. Появляется возможность увеличить в процессе сушки количество периодов реакции превентивного торможения зерновки, как биологического объекта, значительно сократив энергоемкость процесса.

Исходя из изложенного, сформулирована научная гипотеза работы: «Интенсифицировать процесс сушки зерна активным вентилированием, снизить неравномерность его высыхания по толщине слоя, возможно за счет совершенствования технологического процесса и применения цикличного электротехнологического воздействия».

Анализ использования электротехнологий и других методов для интенсификации процесса сушки зерна в бункерах активного вентилирования и шахтных зерносушилках, позволил оценить перспективность применения для этих целей СВЧ полей и приёмов рециркуляции зерна. Изложенные предпосылки позволили сформулировать рабочую гипотезу: «Увеличение производительности сушки зерна активным вентилированием, снижение неравномерности высыхания зерна по толщине слоя, возможно за счет применения технологии рециркуляции зерна с воздействием поля СВЧ».

На основании научной и рабочей гипотез, поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

• разработать математическую модель рециркуляционной сушки зерна активным вентилированием при СВЧ воздействии и уравнение, описывающее изменение температуры воздуха в межзерновом пространстве при использовании поля СВЧ в рециркуляционной сушке зерна активным вентилированием;
• провести экспериментальные исследования по использованию поля СВЧ при рециркуляционной сушке зерна на установках активного вентилирования;
• разработать способ сушки зерна в бункерах активного вентилирования с использованием СВЧ при рециркуляционной сушке зерна;
• выполнить производственную проверку и оценить экономическую эффективность применения поля СВЧ при рециркуляционной сушке зерна активным вентилированием.

Во второй главе «Тепло- и влагообмен в зерновом слое в процессе рециркуляции зерна при сушке активным вентилированием» приводятся теоретические положения влияния воздействия поля СВЧ на нагрев зерна, подаваемого из различных зон бункера активного вентилирования, в зону рециркуляции.

Задачей использования поля СВЧ при рециркуляции зерна является создание условий для интенсивного протекания процесса, для увеличения скорости перераспределения влаги между зерновками.

Поскольку при активном вентилировании используется атмосферный воздух, то температура зерна не бывает высокой, поэтому при рециркуляции не будет значительного перераспределения температур между зерновками. Использование СВЧ нагрева призвано создать распределение температур в рециркулируемой зерновой смеси противоположное классической схеме, когда более сухое зерно имеет более высокую температуру. СВЧ поле позволяет нагреть в большей степени более влажный материал, делая градиенты однонаправленными. Так же при СВЧ воздействии внутри зерновки создается давление паров жидкости, что способствует боле интенсивному ее выведению на поверхность зерновки и в межзерновое пространство. Следовательно, интенсивность тепло- и влагообмена должна значительно возрасти.

В этой связи проведена работа по математическому описанию процессов тепло- и влагообмена в зоне СВЧ рециркуляции. Система дифференциальных уравнений тепло - и влагопереноса при СВЧ нагреве разработана А.В. Лыковым и здесь не приводится. В зоне СВЧ рециркуляции зерновой слой в различные моменты обработки подвергается различным воздействиям. Так, сразу после загрузки СВЧ активной зоны рециркулируемым зерном начинается воздействие на него СВЧ поля. Зерновки в слое нагреваются до различной температуры в зависимости от их влажности.

При достижении состояния гигротермического равновесия при СВЧнагреве в рециркуляционной зоне влагосъем не проводится, поэтому в системе уравнений отсутствуют все слагаемые, содержащие :

где а – коэффициент температуропроводности, м2/с; с –удельная теплоемкость образца, Дж/кг°С; – удельная мощность, рассеиваемая в диэлектрике при воздействии СВЧ поля, Вт/м3; – плотность сухого вещества зерна, кг/м3; 2 – относительный коэффициент термодиффузии, кг/°С; Р– избыточное давление в образце, Па; - температура зерновки, °С; – коэффициент конвективной диффузии пара, м2/с,,, - divgrad температуры, давления и влагосодержания (вторая производная по градиенту).

После снятия СВЧ воздействия при гигротермическом равновесии процессы, происходящие в зерновках, будут описываться следующей системой уравнений:

После СВЧ воздействия в зоне рециркуляции зерно сушится в бункере активного вентилирования конвективным способом, который описывается известной системой дифференциальных уравнений.

Поскольку на эффективность процесса рециркуляции значительное влияние оказывает конвективный теплообмен между зерновками, были предприняты попытки получить математическую зависимость, описывающую изменение температуры воздуха в межзерновом пространстве при воздействии поля СВЧ.

Если воздух через зерновой слой, подвергаемый воздействию поля СВЧ, не продувается, то суммарное влагосодержание зернового слоя не изменяется. Происходит перераспределение влаги между зерновками, но средняя влажность смеси зерна должна оставаться постоянной. Если мы сделаем такое допущение, то правомерно утверждать, что .

В этом случае система уравнений теплообмена в зерновом слое будет иметь следующий вид:

где Т – температура агента сушки, °С; F – влагосодержание сушильного агента, г/кг; W – влажность зерна, %; – температура зерна, °С; св, сз– теплоемкость воздуха и зерна, кДж/кг°С; з – порозность зернового слоя; Sv – удельная поверхность семян, 1/м; – коэффициент теплоотдачи, кДж/кгс°С; з– плотность зерна, кг/м3; в–плотность (удельный вес) воздуха, кг/м3;Рз – давление водяных паров в зерновке, Па; Рв – давление водяных паров в воздухе, Па.

Уравнения (3.1) и (3.3) показывают, что скорость изменения температуры межзернового пространства зависит от скорости изменения температуры зерна и разности температур воздуха и зерна. Равенство (3.2) показывает, что при воздействии поля СВЧ в активной зоне, без подачи в нее воздуха, давление паров воды в межзерновом пространстве полностью определяется давлением паров в зерновке. С учетом того, что при выражении размерности давления водяного пара в мм.рт.ст. его величина практически совпадает с абсолютной влажностью воздуха (e) правомочна следующая запись

. (4)

С учётом того, что в зерновой смеси находятся зерновки различной влажности, количество которых зависит от используемого коэффициента рециркуляции, система уравнений может быть записана в следующем виде:

где i – номер зерновки; m – количество зерновок в смеси; – давление паров в i- той зерновке; j– номер «влажных» зерновок; z – количество «влажных» зерновок; l– номер «сухих» зерновок; n– количество «сухих» зерновок; m – общее количество зерновок, m= n+ z; Кр–коэффициент рециркуляции, Kp = n/z.

Выполнив математические преобразования, получим уравнение для расчета температуры межзернового пространства в смеси «влажного» и «сухого» зерна при воздействии поля СВЧ без продувания слоя воздухом:

(6)

где – коэффициент теплопроводности зерна, кДж/м·с·°С; – количество тепла, выделяемого в зерновке за счет воздействия поля СВЧ, Вт/м3; R – радиус зерновки, м; ; n’– количество слоев нагрева в зерновке (используется n'=1), K – коэффициент разделения;, ,– коэффициент температуропроводности, м2/с.

Используя данные для начальной влажности зерна пшеницы 22%, влажности просушенного зерна 14%, коэффициента рециркуляции 0,3, исходной температуры зерна 250С рассчитали изменение температур в центре «влажной» зерновки, на её поверхности и в межзерновом пространстве (рисунок 1). Следует отметить, что данные графики носят, в большей степени, качественный характер, но позволяют судить о динамике температур в зерновом слое. Так представленные графики позволяют говорить, что при первом воздействии СВЧ поля на «влажную» зерновку температура в её центре и на поверхности изменяется в соответствии с ранее описанными закономерностями. Центр зерновки греется больше, поскольку имеет большую, чем поверхность влажность.

Температура в межзерновом пространстве увеличивается не столь значительно, как в центре и даже на поверхности зерновки. Это в определённой степени подтверждает высказанное ранее предположение о том, что за один приём СВЧ воздействие не представляется возможным добиться равномерного распределения температуры межзернового пространства и выравнивания температур между зерновками.

1 - температура в центре зерновки; 2 – температура на поверхности зерновки; 3 – температура в межзерновом пространстве. Рисунок 1 – Расчётные кривые изменения температуры в центре, на поверхности «влажной» зерновки и в межзерновом пространстве.