Экспериментальные исследования влияния режимов работы магнетрона на энергоёмкость и производительность обработки зерна

УДК 519.23

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ МАГНЕТРОНА НА ЭНЕРГОЁМКОСТЬ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ОБРАБОТКИ ЗЕРНА

© 2015 г. А.Н. Васильев, Д.А. Будников, А.А. Васильев

Целью работы является экспериментальное исследование влияния электромагнитного поля микроволнового диапазона и режимов его воздействия на энергоемкость и производительность процессов послеуборочной обработки. В процессе работы рассмотрены несколько режимов сушки зерна в лабораторной установке: конвективный, СВЧ-конвективный - постоянный, СВЧ-конвективный -импульсный. Произведена оценка применимости данных режимов для зерновых материалов различной влажности.

Представлены лабораторная установка и измерительное оборудование, применяемые при проведении экспериментов. При проведении экспериментов рассматривалось влияние режимов обработки электромагнитными полями на энергоемкость процессов послеуборочной обработки зерна. В процессе проводимых работ рассматривались различные режимы воздействия. В качестве фактора воздействия принималось электромагнитное поле частотой 2450 МГц, а вариантами воздействия являлись непрерывное и циклическое воздействия. Представлены результаты экспериментальных исследований. Экспериментальные данные были обработаны в пакетах прикладных программ, а результаты частично представлены в статье. По результатам проведенных работ сделаны соответствующие выводы.

В результате анализа экспериментальных данных установлено, что наиболее предпочтительным для сушки и обеззараживания зерна является режим, при котором магнетроны работают импульсно, относительная влажность зерна по всему объему не ниже 15%, а удельная мощность не превышает 1500 кВт/м3.

При более сухом зерне (менее 15%) для равномерного его разогрева необходимо, чтобы удельная мощность, рассеиваемая в зерновом слое, не превышала 800 кВт/м3.

С точки зрения энергозатрат и скорости сушки зерна наиболее предпочтительным является циклический режим сушки с импульсным воздействием поля СВЧ.

Ключевые слова: зерно, сушка, обеззараживание, импульсное воздействие, энергоемкость, СВЧ-конвективное воздействие, удельная мощность.

The purpose of the work is the experimental research of the electromagnetic field influence in the microwave range and modes of their impact on energy consumption and productivity of post-harvest processes. In the process there were considered several modes of drying grain in the laboratory setting: convection, convection microwave -permanent, microwave convection - pulse. The applicability of these modes was estimated for grain materials of varying humidity.

There are presented laboratory setting and measuring equipment used in the experiments. In the experiments the effect of electromagnetic fields processing conditions on energy-intensive post-harvest grain processing was examined. In the course of the operations there were considered different modes of action. As the impact factor there was accepted the electromagnetic field of 2450 MHz frequency, and as the exposure scenarios there were continuous and cyclical effects. The results of experimental studies are presented. Experimental data was processed in batches of applications and the results are presented in part in the article. On the results of the work there were made relevant conclusions.

As the result of the experimental data analysis that was revealed that the most preferred grain disinfecting and drying mode is that mode in which magnetrons operate impulsely, the relative humidity around the grains is not less than 15%, and the power density does not exceed 1500 kW/m3.

In a dry grain (less than 15%) for uniform heating it is necessary that the specific power dissipated in a grain layer does not exceed 800 kW/m3.

From the point of view of energy consumption and the grain drying rate the most preferred mode of drying is cyclic impulsive microwave field mode.

Key words: grain, drying, disinfection, pulse effects, power consumption, convection microwave exposure, specific power.

В работе представлены результаты диапазона и режима воздействия им на экспериментальных исследований влияния энергоемкость и производительность электромагнитного поля микроволнового процессов послеуборочной обработки.

Рассмотрены несколько режимов сушки зерна в лабораторной установке: конвективный, СВЧ-конвективный -постоянный, СВЧ-конвективный -импульсный. Произведена оценка применимости данных режимов для зерновых материалов различной влажности.

Введение. В ходе послеуборочной обработки зерновых продуктом наиболее энергоемкими процессами зачастую выступают сушки и обеззараживание [1, 4, 6]. В стремлении снизить энергетические затраты именно на эти процессы стоит обратить особое внимание. При сушке и обеззараживании зерна с использованием поля СВЧ очень важно распределение влаги по объёму зерна. Это обусловлено тем, что нагрев происходит более интенсивно в наиболее увлажненных участках [2, 3, 5]. Например, если наружные слои зерновки более увлажнены, чем внутренние, то более интенсивный нагрев происходит в наружных слоях, что приводит к обеззараживанию поверхности зерна.

Целью представленной работы являлось определение оптимального режима работы магнетронов, при котором влага в зерновке переместится из центральных слоев к поверхности.

В процессе выполнения был проведен ряд экспериментальных исследований, результаты которых представлены ниже.

Методика исследования. При

проведении эксперимента менялись следующие параметры: влажность зерна, расстояние от магнетрона (удельная мощность) и время работы магнетрона. Магнетроны работали постоянно (до достижения требуемой температуры в центре зерновки) или в импульсном режиме, при этом длительность импульсов изменялась в диапазоне от 3 до 5 секунд работы, с паузами от 3 до 15 секунд. Такой режим работы выбран из-за того, что при меньшем времени включения магнетрон не успевает выйти на оптимальный режим, и идет большая нагрузка на блоки питания. При более длительном времени теряется смысл импульсного режима.

Для проведения экспериментальных исследований было разработано «Устройство для определения величины удельной мощности электромагнитного поля СВЧ, выделяемой в зерновом слое» (рисунок 1).

Лабораторная установка для проведения экспериментальных

исследований представлена на рисунке 2.

На рисунке 3 представлена схема расположения датчиков температуры при проведении эксперимента. Расстояния между соседними датчиками равнялись Ь = 50 мм, расстояние по горизонтали до экрана ввода СВЧ-поля (С) было принято 70 мм, А = 70 мм, В = 45 мм.

1 2 3

1 - ПК, в котором реализуется алгоритм измерения; 2 - преобразователь интерфейсов; 3 - модули ввода сигналов (до 8 датчиков); 4 - датчики Рисунок 1 - Устройство для определения величины удельной мощности электромагнитного поля СВЧ, выделяемой в зерновом слое

1 - нагнетающий вентилятор; 2 - блок ТЭНов; 3 - магнетрон; 4 - зона СВЧ-конвективного воздействия; 5 - модули сбора сигналов Рисунок 2 - Лабораторная установка

Рисунок 3 - Схема расположения датчиков

Рисунок 4 - Примеры распределения температуры в центре и на поверхности зерновки при различной удельной мощности поля СВЧ

Результаты и их обсуждение.

Графики, демонстрирующие изменение температур в процессе нагрева при проведении эксперимента представлены на рисунке 4.

Обработка результатов

экспериментов производилась согласно методикам, описанным в [7-10]. После обработки результатов эксперимента был проведен анализ влияния исходной

влажности зерна на перераспределения влаги и скорость нагрева зерновки при постоянном и импульсном режиме работы магнетрона:

тц = /

Тп = /

где тц и тп время нагрева до 55 °С центра и поверхности зерновки соответственно, а Жн - исходная влажность. Результаты представлены на рисунке 5.

а

б

а - при постоянном нагреве; б - при импульсном нагреве Рисунок 5 - Скорость нагрева различных слоев зерновки до 55 °С при различной влажности

Были построены зависимости изменения распределения температуры в зерновке в зависимости от удельной мощности СВЧ-поля при разной влажности с течением времени: АО = вц - 6>п = _Дт) для Руд и Wн (рисунок 6).

а - при непрерывном нагреве и влажности пшеницы 18%; б - при импульсном нагреве, с длительностью импульса 3 секунды при периоде 6 секунд и влажности пшеницы 18%, где Р1, Р2, Р3 - удельные мощности Р1 = 2000 кВт/м3, Р2 = 1200 кВт/м3 и Р3 = 600 кВт/м3

Рисунок 6 - Динамика перераспределения температуры в зерновке пшеницы с течением времени в зависимости от исходной влажности, удельной мощности поля СВЧ

и режима обработки

Как видно из графиков, скорость нагрева зерновки выше при импульсном нагреве. При импульсном режиме поверхность зерна нагревается быстрее, чем его центральная часть, что является более предпочтительным как для сушки, так и для обеззараживания зерна.

Для определения влияния режима работы магнетрона на энергоёмкость

процесса сушки зерна проводили экспериментальные исследования на лабораторной установке, описание которой представлено выше.

Исследовали два режима сушки: - сушка зерна воздухом, подогретым в калориферной установке до 40 оС, со скоростью 0,8 м/с;

- СВЧ-конвективная сушка при подаче поля до момента нагрева зерна до 55 оС.

- СВЧ-конвективная сушка при импульсном, циклическом воздействии поля СВЧ. При этом зерно сначала подвергалось воздействию СВЧ-поля постоянно, в течение 90 с. Затем воздействие поля прекращалось и в течение 5 минут осуществлялась сушка зерна подогретым воздухом. Потом воздействовали полем СВЧ импульсами длительностью 3 с в течение 60 с, после чего в течение двух минут сушили только подогретым воздухом. Затем импульсное воздействие повторяли.

Сушке подвергалось зерно пшеницы с исходной влажностью 18%.

В течение всего процесса сушки замеряли мощность, потребляемую установкой.

В результате проведённых экспериментальных исследований

установленно:

- длительность процесса сушки подогретым воздухом до влажности зерна 14% составила 1,5 часа, при удельных энергозатратах 7500 кДж/кг исп. влаги;

- длительность процесса сушки СВЧ-конвективным воздействием, при постоянном воздействии поля и ограничении температуры нагрева зерна до 55 оС составила 1,2 часа, при удельных энергозатратах

6100 кДж/кг исп. влаги;

- длительность процесса сушки СВЧ-конвективным воздействием, при импульсном воздействии поля составила 0,9 часа, при удельных энергозатратах 4950 кДж/кг исп. влаги.

Выводы

1. В результате анализа экспериментальных данных установлено, что наиболее предпочтительным для сушки и обеззараживания зерна является режим, при котором магнетроны работают импульсно, относительная влажность зерна по всему объему не ниже 15%, а удельная мощность не превышает 1500 кВт/м3.

2. При более сухом зерне (менее 15%) для равномерного его разогрева необходимо, чтобы удельная мощность,

рассеиваемая в зерновом слое, не превышала 800 кВт/м .

3. С точки зрения энергозатрат и скорости сушки зерна наиболее предпочтительным является циклический режим сушки с импульсным воздействием поля СВЧ.

Литература

1. Васильев, А.Н. Электротехнология и управление при интенсификации сушки зерна активным вентилированием / А.Н. Васильев. - Ростов-на-Дону: Терра Принт, 2008. - 240 с.

2. Микроволновая установка большой производительности для обработки злаковых культур / О.А. Морозов,

А.Н. Каргин и др. // Междунар. журн. «Альтернативная энергетика и экология». - 2013. - № 3, ч. 1. - С. 178-183.

3. Kraszewski, A. Composite model of the complex permittivity ofceralgrain / A. Kraszewski, S.O. Nelson // Agric. Eng. Res. (1989) 43, 211-219.

4. Nelson, S.O. Dielectric properties of agricultural products and some applications // Res. Agr. Eng., 54, 2008(2): 104-112.

5. Yunyang Wang. Review of dielectric drying of foods and agricultural products/ Yunyang Wang, Yuanrui Li, Shaojin Wang, Li Zhang, Mengxiang Gao, Juming Tang // Int J Agric & Biol Eng Open Access at http://www.ijabe.org, Vol. 4, № 1.

6. Bakker-Arkema F.W. Grain drying in Asia: Proceedings of an International Conference held at the FAO Regional Office for Asia and the Pacific, Bangkok, Thailand, 1720 October, 1995.1996, pp. 123-131.

7. Льюинг, Л. Идентификация систем. Теория для пользователя / Л. Льюинг. - Москва: Наука, 1991.

8. Дейч, А.М. Методы идентификации динамических объектов / А.М. Дейч. - Москва: Энергия, 1979. - 240 с.

9. Кашьяп, Р.Л. Построение динамических стохастических моделей по экспериментальным данным / Р.Л. Кашьяп, А.Р. Рао. - Москва: Наука, 1983. - 384 с.

10. Лыков, А.В. Исследование процесса сушки в поле высокой частоты / А.В. Лыков, Г.А. Максимов // Тепло- и массообмен в капиллярно-пористых телах. - Ленинград, Москва: Госэнергоиздат, 1957. - С. 133-142.

References

1. Vasil'ev A.N. Jelektrotehnologija i upravlenie pri intensifikacii sushki zerna aktivnym ventilirovaniem [Electrotechnology and managing at grain drying intensification with active ventilation], Rostov-na-Donu: Terra Print, 2008, 240 p.

2. Morozov O.A., Kargin A.N. Mikrovolnovaja ustanovka bol'shoj proizvoditel'nosti dlja obrabotki zlakovyh kul'tur [Microwave installation of high capacity for cereals processing], Mezhdunar. zhurn. Al'ternativnaja jenergetika i jekologija, 2013, No 3, chast' 1, pp. 178-183.

3. Kraszewski A., S.O. Nelson Composite model of the complex permittivity of ceralgrain, J. Agric. Eng. Res., 1989, 43, pp. 211-219.

4. Nelson S.O. Dielectric properties of agricultural products and some applications, Res. Agr. Eng., 54, 2008(2), pp. 104-112.

5. Yunyang Wang. Review of dielectric drying of foods and agricultural products, Yunyang Wang, Yuanrui Li, Shaojin Wang, Li Zhang, MengxiangGao, Juming Tang, Int J Agric&Biol Eng Open Access at http://www.ijabe.org, Vol. 4, No.1.

6. Bakker-Arkema F.W. Grain drying in Asia: Proceedings of an International Conference held at the FAO Regional Office for Asia and the Pacific, Bangkok, Thailand, 17-20 October, 1995.1996, pp. 123-131.

7. L'juing L. Identifikacija sistem. Teo-rija dlja pol'zovatelja [Systems identification. The theory for the user], Moskva: Nauka, 1991.

8. Dejch A.M. Metody identifikacii dinamicheskih ob'ektov [Methods of dynamic objects identification], Moskva: Jenergija, 1979, 240 p.

9. Kash'jap R.L., Rao A.R. Postroenie dinamicheskih stohasticheskih modelej po jeksperimental'nym dannym [Construction of dynamic stochastic models based on

experimental data], Moskva: Nauka 1983, 384 P-

10. Lykov A.V., Maksimov G.A. Issledovanie processa sushki v pole vysokoj chastoty [The research of the drying process in the high frequency field], Teplo-imassoobmen v kapilljarno-poristyh telah, Leningrad, Moskva: Gosjenergoizdat, 1957, pp.133-142.

Сведения об авторах

Васильев Алексей Николаевич - доктор техн. наук, профессор, заместитель директора по научной работе Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства (ФГБНУ ВИЭСХ) (г. Москва). E-mail: vasilev-viesh@inbox.ru.

Будников Дмитрий Александрович - канд. техн. наук, с.н.с. лаборатории АСУ ТП в сельскохозяйственном производстве, Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ФГБНУ ВИЭСХ) (г. Москва).

Васильев Алексей Алексеевич - заведующий сектором технического и программного обеспечения научных исследований, Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ФГБНУ ВИЭСХ) (г. Москва).

Information about the authors

Vasiliev Alexey Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, professor, deputy director, FSBRI «All-Russian Scientific and Research Institute of Agriculture Electrification» (Moscow). Phone: 8-495-709-34-46. E-mail: vasilev-viesh@inbox.ru.

Budnikov Dmitry Alexandrovich - Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher of Agricultural production automation systems laboratory, FSBRI «All-Russian Scientific and Research Institute of Agriculture Electrification» (Moscow).

Vasiliev Alexei Alexeyevich - Head of the Research hardware and software support sector, FSBRI «All-Russian Scientific and Research Institute of Agriculture Electrification» (Moscow).