Использование поля СВЧ при рециркуляционной сушке зерна активным

На основании теоретических исследований разработан способ сушки зерна активным вентилированием с использованием поля СВЧ при рециркуляционной сушке зерна активным вентилированием. Способ заключается в том, что в процессе сушки зерно выпускают из бункера активного вентилирования по вертикальным зонам из различных выпускных устройств, материал, поступающий из двух разных вертикальных зон бункера, направляют в зону воздействия поля СВЧ, там перемешивают и троекратно циклически воздействуют полем СВЧ. После этого зерно направляют в бункер на досушку.

В третьей главе «Планирование и методика проведения экспериментальных исследований» сформулированы цели экспериментальных исследований, осуществлён выбор независимых факторов для проведения исследований. В качестве таких факторов приняты: максимальная влажность зерна, подающегося в смеси на рециркуляцию Wm; разница между влажностью «влажного» и «сухого» зерна W; коэффициент рециркуляции K= Vсух/Vвл, где Vсух, Vвл – соответственно объём «сухого» и «влажного» зерна.

Для проведения предварительного эксперимента использовали следующее сочетание факторов:Wm=22%; W=4%; К = 0,3; Wm=22%; W=4%; К = 1; Wm=22%; W=6%; К = 3; Wm=20%; W=6%; К = 1; Wm=22%; W=8%; К = 0,3; Wm=22%; W=8%; К = 1; Wm=18%; W=4%; К = 1.

Данное сочетание принято, что бы максимально охватить диапазон изменения факторов, который бы позволил провести объективный анализ влияния воздействия СВЧ поля на рециркуляцию зерна.

Для проведения многофакторного эксперимента по влиянию рециркуляции зерна, при воздействии поля СВЧ, на энергоёмкость и продолжительность процесса сушки зерна активным вентилированием принят план Бокса – Бенкина. В качестве функций отклика приняты удельная энергия, затраченная на сушку и рециркуляцию зерна(кВт*ч/кг), и время сушки зерна после рециркуляции, s, ч.

Описана используемая экспериментальная установка, контрольно – измерительные приборы, план и методика проведения исследований, используемое для обработки экспериментальных данных, программное обеспечение.

В четвёртой главе «Обработка и анализ экспериментальных данных» проведён анализ экспериментальных кривых изменения температуры нагрева и охлаждения зерна и межзернового пространства при воздействии поля СВЧ. Один из графиков приведён на рисунке 2. Из графиков видно, что экспериментальные кривые нагрева зерна и межзернового пространства с достаточной точностью согласуются с графиками, полученными расчётным путём (рисунок 1), что подтверждает теоретические исследования. Кривые изменения температуры зернового слоя снимались для всех трёх этапов обработки нагрев – остывание и при сушке активным вентилированием после рециркуляции. В соответствии с методикой эксперимента в процессе сушки проводили измерение влажности зерна.

1 - температура в центре «влажной» зерновки; 2 – температура на поверхности «влажной» зерновки; 3 – температура в межзерновом пространстве; 4 – температура в центре «сухой» зерновки; 5 – температура на поверхности «сухой» зерновки.

Рисунок 2 – Графики изменения температур на первом этапе

«нагрев - охлаждение» при Wm =22%, W =8%, К=0,3

Полученные кривые изменения температуры зерна при СВЧ рециркуляции, при сушке зерна, кривые сушки частично позволяют судить о ходе процесса. Однако их использование не позволяет определить, сколько циклов воздействия поля СВЧ необходимо проводить, чтобы обеспечить наибольший эффект. Возникают сложности при ответе на вопрос о наилучшем коэффициенте рециркуляции. Чтобы получить ответы на предложенные вопросы провели факторный анализ.

Для его проведения использовали ранее полученные экспериментальные данные по изменению температуры зерновок и межзернового пространства при рециркуляционной сушке зерна активным вентилированием с применением поля СВЧ. Обработку данных проводили для каждого этапа отдельно. Для обработки применяли стандартные функции MATLAB по функциональному анализу. Возможности MATLAB позволяют построить на факторном пространстве векторы исследуемых параметров. Это дало возможность наглядно оценить расположение векторов по отношению к факторам и интерпретировать ситуацию применительно к процессам тепло – влагообмена при рециркуляционной сушке зерна активным вентилированием с применением поля СВЧ. Расположение векторов параметров на факторном пространстве приведено на рисунке 3(номера векторов соответствуют номерам температур на рисунке 2).

а)	б)
Рисунок 3– Расположение векторов параметров на факторном пространстве для Wm =22%, W =4%, К=0.3: а – на первом этапе СВЧ воздействия; б – на третьем этапе СВЧ воздействия

Полученные данные свидетельствуют, что на первом этапе применения поля СВЧ при рециркуляционной сушке зерна активным вентилированием состояние зернового слоя характеризуется двумя факторами, а на третьем этапе - одним. Это говорит о том, что смесь зерна стала однородной по температуре и влажности, произошло перераспределение влаги между «сухим» и «влажным» зерном. Цель рециркуляции достигнута.

Проведение факторного анализа экспериментальных данных с последующей сушкой зерна активным вентилированием позволило сделать несколько заключений.

В большинстве исследуемых вариантов на третьем этапе применения поля СВЧ процесс может характеризоваться только одним фактором. Это говорит о том, что достигает достаточная однородность по влажности в смеси зернового слоя. В свою очередь это позволяет сделать вывод, что для достижения эффекта рециркуляции, при обработке смеси зерна полем СВЧ, достаточно проводить три этапа циклической обработки «нагрев – охлаждение» при перемешивании зерна в период остывания. При высоких значениях исходных влажностей зерна (22…18%) и при низком коэффициенте рециркуляции (К=0,3) даже на третьем этапе рециркуляции процесс характеризуется двумя факторами. Это может быть показателем того, что использование зерна с такими влажностями и соотношением объёмов при рециркуляционной сушке зерна активным вентилированием с использованием поля СВЧ не эффективно.

Чтобы получить ответы на данные вопросы в соответствии с планом исследований был проведён многофакторный эксперимент. В результате обработки экспериментальных данных многофакторного эксперимента получено следующее уравнение:

s =21,451+0,463W -1,267K-2,071Wm -0,018 WWm-

               -0,022W2+0,47K2+0,061Wm2                                                                       (7)

Адекватность математической модели определяли по критерию Фишера для степеней свободы f1 = 9, f2=9, при доверительной вероятности 95%. Расчётное «нижнее» значение критерия Фишера равно Fр= 0.0303. Табличное, соответственно Fm=2,2622. Условие Fр

Чтобы визуально оценить полученные регрессионные зависимости выполнялось построение графиков, которые приведены на рисунках4 и 5.

Рис. 4 – Графики двух поверхностей s =f(К,Wm,) при W=4% и 8%	Рис. 5 – Контурный график поверхности s =f(К,Wm,) при W=8%

Контурный график позволяет однозначно определить параметры зернового слоя, обеспечивающие минимум времени сушки.

В процессе сушки зерна активным вентилированием в установках бункерного типа управляемыми параметрами являются W и К. Величина максимальной влажности зерна Wm зависит от влажности партий зерна, поступающих на ток, от загруженности линии сушки зерна. В свою очередь величина W, при постоянной скорости агента сушки, существенно зависит от Wm и от параметров атмосферного воздуха F и T. Учитывая, что для эффективного применения поля СВЧ при рециркуляционной сушке зерна активным вентилированием необходимо иметь требуемое количество просушенного зерна, чтобы обеспечить нужный коэффициент рециркуляции, целесообразно знать величину К, при которой время сушки начнёт уменьшаться. Используя уравнение регрессии, установили, чтобы время сушки зерна уменьшалось, необходимо, чтобы величина коэффициента рециркуляции была не выше 2,8.

В результате проведённых исследований получено, что для обеспечения минимального времени сушки при активном вентилировании зерна и применении поля СВЧ при рециркуляционной сушке зерна активным вентилированием необходимо соблюдать следую последовательность: контролировать W; соотносить объём просушенного зерна до влажности 13,2…14% с объёмом зерна имеющим влажность 20,5…21,2%; если соотношение этих объёмов позволяет обеспечить коэффициент рециркуляции в диапазоне 1,3…2,7, то в этом случае процесс вентилирования можно прерывать и направлять зерно в зону рециркуляции с целью уменьшения времени сушки и неравномерности по слою.

В результате обработки экспериментальных данных многофакторного эксперимента получено следующее уравнение:

Nуд =1.259-0.015W-0.096К-0.108Wm+7.464e4W2+0.024К2+0.003Wm2.

При проверке значимости коэффициентов модели установлено, что незначимыми оказались коэффициенты при независимом факторе W, поэтому модель из трехфакторной перешла в двухфакторную. Чтобы улучшить показатели адекватности модели повторно провели обработку экспериментальных данных для двух факторов. В результате был получен следующий полином:

Nуд =1,395 -0,081К-0,130Wm +0,019К2+0,004Wm2 (8)

Адекватность математической модели определяли по критерию Фишера для степеней свободы f1 = 4, f2=14, при доверительной вероятности 95%. Расчётное «нижнее» значение критерия Фишера равно Fр= 0.0126. Табличное, соответственно Fm=3,11. Условие Fр

В результате расчётов получены следующие значения критериев: SSE =0,0008; R-square = 0,958; RMSE = 5,41е-4. Полученные значения критериев подтверждают высокое качество описания объекта полученным уравнением регрессии.

Анализ графиков построенных по регрессионной модели показал, что для обеспечения min энергозатрат при использовании поля СВЧ в рециркуляционной сушке зерна активным вентилированием необходимо использовать зерно исходной влажностью не выше 17,7%. При этом коэффициент рециркуляции может находиться в диапазоне 1,5…2,7.

Полученное оптимальное значение Wm не соответствует оптимальному значению этого фактора для снижения времени сушки. Поэтому при использовании поля СВЧ в рециркуляционной сушке зерна активным вентилированием управление процессом возможно по двум критериям: по минимуму времени сушки; по минимуму энергозатрат.

Изложенное позволяет сделать вывод, что основным эффектом при использовании поля СВЧ при рециркуляционной сушке зерна на установках активного вентилирования будет увеличение производительности установок. Снижение энергозатрат будет не таким значительным, существенно будет зависеть от исходной влажности зерна загружаемого в установку активного вентилирования.

Для подтверждения эффективности применения поля СВЧ при рециркуляционной сушке зерна в установках активного вентилирования бункерного типа был проведен производственный эксперимент. Эксперимент проводился на установке для сушки зерна бункерного типа, которую изготовила фирма ООО «АСТ», г. Таганрог (рисунок 6,а). Эксперимент проводили в соответствии с технологической схемой, приведённой на рисунке 6,б.

а)

б)

1 - СВЧ активная зона; 2 - бункер активного вентилирования; 3 - центральный перфорированный воздуховод; 4 - внешняя перфорированная стенка бункера; 5 - вентилятор; 6 – каналы выпуска сырого зерна; 7 – канал выпуска сухого зерна; 8 – влагомер; 9 – перепускные заслонки; 10 – канал сухого зерна; 11 - канал рециркулируемого зерна. Рис. 6 – Общий вид сушилки (а) и технологическая схема (б) производственного эксперимента