Математическое описание процесса сушки зерна электроактивированным воздухом (ЭАВ)

УДК 519.673:664.723

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ЗЕРНА ЭЛЕКТРОАКТИВИРОВАННЫМ ВОЗДУХОМ

© 2009 г. к.т.н. проф. А.Н. Васильев, ассистентН.Н. Грачёва

Азово-Черноморская государственная Azov-Blacksea State Agroengineering

агроинженерная академия, г. Зерноград Academy, Zernograd

Рассматриваются основные математические модели сушки зерна электроактивированным воздухом (ЭАВ). Описаны механизмы каждого процесса, заложенные в основу аналитических уравнений. Сделан вывод об отсутствии единой теории, объясняющей влияние ЭАВ на процесс сушки зерна. Предпринята попытка описания критериального уравнения концентрации аэроионов при сушке зерна активным вентилированием ЭАВ (аэроионами).

These are considered basic mathematic models of grain drying with electroactive air (EAA). These are described each process mechanisms, put in analytical equation base. It is made a conclusion about common theory absence, explaining EAA influence upon grain drying process. It is made an attempt to describe criteria equation description of air-ions concentration when drying grain with active fan EAA (air-ions).

Сушка зерна - технологический процесс, цель которого - снизить влагосодержание и повысить сроки безопасного хранения семян. Так как сушка зерна - энергоемкий процесс, возникает необходимость снижения энергозатрат. Это достигается различными методами, в том числе и использованием для сушки электроактивированного воздуха (ЭАВ).

Рядом ученых были разработаны уравнения динамики сушки зерна с применением ЭАВ.

Так, в 1993 году В.И. Тихеньким под руководством к.т.н. В.А. Павлык (НПО «Нечерноземагромаш») была разработана теория кластерообразования [8]. Согласно этой теории, в ионизированном воздухе с присутствием паров воды образуются многомолекулярные ионные комплексы, представляющие собой связанные соединения положительного или отрицательного иона с оболочкой из нейтральных частиц (кластеры).

Количество кластеров прямо

пропорционально концентрации

аэроионов, а время жизни кластеров обратно пропорционально. Объединение

молекул воды в кластерные соединения приводит к изменению молекулярной массы паров воды и, как следствие, уменьшению их парциального давления.

Для описания влагомассообменных процессов В.И. Тихеньким предлагается следующая формула:

qm

{

Pm •

p н

V

p ^ 760

акл) B ’

где q m - поток влаги из материала,

кг / М • с ;

P m - коэффициент влагообмена, отнесенный к разнице парциальных давлений, кг / М • с • Па;

p н - давление насыщенных паров воды, Па;

а кл - коэффициент

кластерообразования.

Троцкая Т.П. (Гродненский СХИ) выдвинула свою теорию механизма интенсификации процесса сушки зерна ЭАВ [10]. Согласно Т.П. Троцкой, тепловое воздействие озона в процессе сушки представляет суммарное количество

теплоты, выделившееся в результате воздействия озона (2):

Q = Qp1 + Qp2 + Qs+Qb,

где Qp - теплота как следствие

рекомбинации озона в сушильном агенте;

QP - теплота, выделившаяся в

результате рекомбинации озона на поверхности материала;

Qg - теплота, полученная в

результате реакции дыхания;

Qb - энергия, выделившаяся в виде теплоты в результате вторичного преобразования в тканях материала.

В результате расчетов, опирающихся на вышеизложенную теорию, Т.П. Троцкая получила уравнение плотности потока влаги внутри зерновки при сушке зерна с применением озоно-воздушной смеси (ОВС):

1 = а„

J т

fT3 т3 С3 + qK

273т 3С3

рс • (у и -5У),

где атп

- коэффициент диффузии влаги при 20 0С, м2 / с;

Q - количество теплоты, выделившееся при распаде озона, мг / мМ;

5

коэффициент

термовлагопроводности, град .

Л.Ф. Глущенко и Н.А. Глущенко (НовГУ им. Ярослава Мудрого) изучили механизм влияния ОВС на термолабильные дисперсные материалы. Первое действие озона - это его распад, при котором озон превращается в кислород с выделением тепла, чем обеспечивается дополнительный нагрев материала.

физических свойств воды - вязкости, плотности и поверхностного натяжения. Озон делает ее менее вязкой, менее плотной, уменьшая поверхностное натяжение воды [2, 3, 5]. Поэтому

уменьшается теплоемкость воды и, следовательно, на ее удаление из зерновки требуются меньшие затраты тепла. В этом и состоит механизм интенсификации сушки термолабильных материалов -дополнительный нагрев материала и изменение свойств воды. Учеными также получено уравнение внутреннего влагопереноса в зерновке при сушке зерна ОВС (4):

Второе действие озона - изменение

Q-

0

где K оз ,Kb - безразмерные

параметрические критерии, определяющие влияние

активации внутреннего тепло- и массопереноса;

q , q ,q - доля энергии, соответственно

поглощенной объектом сушки объемно, передаваемой объекту сушки при разложении озона, приобретаемой объектом за счет влияния озона на свойства жидкой фазы объекта;

r - коэффициент, учитывающий теплоту фазового перехода, Вт• ч / кг;

Rb - число Ребиндера.

Р.В. Ткачев (МГАУ) под руководством И.Ф. Бородина исследовал

явление электроосмотического удаления влаги из зерна [9]. Механизм электроосмотического влагопереноса был описан в 1996 году [6]. Суть описанного метода состоит в том, что на зерновой слой, через который пропускают озоновоздушную смесь (ОВС), накладывают внешнее электрическое поле (ВЭП). Вода, находящаяся в зерне, представляет собой ассоциированную жидкость, т.е. жидкость, в которой полярные молекулы объединены в устойчивые комплексы за счет дипольной и водородной связей. Такие ассоциированные комплексы вызывают увеличение теплоты испарения и уменьшение текучести жидкости. При наложении электрического поля диполи воды занимают в электрическом поле

ориентированное положение. Такое положение, отвечающее взаимному отталкиванию одноименных зарядов обоих концов молекул, неустойчиво, что приводит к распаду комплексов, а также к снижению теплоты испарения и увеличению летучести жидкости [6].

С.П. Рудобашта, Н.Н. Нуриев (МГАУ) [7] получили экспериментальным путем кривые зависимости изменения

влагосодержания U(t) и коэффициента

массопроводности k = F(U)t при сушке озонированным и неозонированным воздухом и различной температуре

сушильного агента.

Изложенное позволяет сказать, что сегодня нет единой теории, объясняющей влияние ЭАВ на процесс сушки зерна. Другой проблемой является

математическое описание изменения концентрации аэроионов при сушке зерна активным вентилированием

электроактивированным воздухом (ЭАВ).

Для получения зависимости

концентрации аэроионов Q

необходимо хорошо представлять

процессы, происходящие в воздуховоде и зерновом слое во время указанного процесса.

Естественно предположить, что законы изменения Q в воздуховоде и в зерновом слое будут различны, так как на искомую величину в этих двух объектах влияют различные физические факторы.

Итак, распишем Q на две

составляющие:

Q = Q1 + Q2 ,

где Qj - концентрация аэроионов в воздуховоде, м-3;

Q2 - концентрация ионов в зерновом слое, м-3.

Рассмотрим первую составляющую уравнения (6).

Процесс транспортировки ЭАВ по воздуховоду является определяющим для концентрации аэроионов на входе в зерновой слой. Согласно [4, 5],

концентрация аэроионов на выходе из воздуховода (т.е. на входе в зерновой слой) зависит от концентрации аэроионов на входе в воздуховод, коэффициента объемной рекомбинации аэроионов, скорости ухода аэроионов на стенки воздуховода и от геометрических размеров воздуховода.

Для получения зависимости концентрации аэроионов Q в воздуховоде при сушке зерна активным вентилированием ЭАВ (от источника аэроионов до входа

в зерновой слой) примем следующие обозначения:

E (В / м) - напряженность

электрического поля, создаваемого электроактиватором;

Та (oC) - температура агента сушки;

V (м / с) - скорость агента сушки;

L (м) - расстояние от

электроактиватора до входа в зерновой слой;

а (м / с) - коэффициент объемной рекомбинации;

V0 (с_1) - скорость ухода аэроионов на стенки воздуховода.

Чтобы исследовать процесс и поставить эксперимент по установлению закона изменения концентрации аэроионов в воздуховоде, необходимо провести многофакторный эксперимент с шестью указанными выше факторами. Количество опытов пропорционально числу факторов в степени, равной количеству уровней варьирования каждого фактора. Поставить такой эксперимент невозможно из-за огромного количества опытов.

Потому применим теорию подобия для моделирования изучаемого процесса и постановки эксперимента.

Учитывая перечисленные факторы, получим полное физическое уравнение, описывающее исследуемый процесс [1]:

Q = f

Составим полную матрицу

размерностей A для исследуемых

параметров. Запишем размерности всех параметров в выбранной системе основных единиц измерения (в системе СИ) -

[M], [L], [T], [I], [0] [1]:

Q = [M ]0[ L]3[T ]0[ I ]о[0]0;

E = [M ]1[ L]l[T ]-3[I fW;

T = [M ]0[ L]0[T ]0[ I ]о[0]1;

Vfl = [M ]0[ L]1[T ]-1[ I ]о[0]0;

LT = [M ]0[ L]1[T ]0[ I ]о[0]0; а = [M ]0[ L]3[T ]-1[I ]0[0]0;

V = [M ]0[ L]0[T ]-1[ I ]0[0]0.

Полученную таким образом полную матрицу размерностей ||А|| преобразуем,

используя матричный анализ. Получим определитель четвертого порядка, не равный нулю. Согласно этому определителю и выбираем независимые параметры: E, Ta, Lr, V0. Для оставшихся

критериев - критериев подобия

- получим зависимости.

Первый критерий подобия:

= Qi  LT .

Второй критерий подобия: V

Lt V

К2 =

Третий критерий подобия:

Пз

а

Lt 3 Л .

жх = Ф(к2 , пъ) или

Qi

1

LT 3

V а

( Lt •Vо, Lt 3 V

).

Выводы

1. Существует несколько теорий интенсификации сушки зерна с использованием ЭАВ. Нет четкой единой теории указанного процесса.

2. Не получены кинетические зависимости, позволяющие надежно переносить лабораторные исследования на промышленные условия, отличающиеся различным сочетанием технологических и конструктивных параметров.

3. Необходимо получить

аналитические зависимости тепло- и влагообмена с учетом влияния аэроионов на высушиваемый объект при сушке зерна аэроионами.

4. Из полученной критериальной зависимости концентрации аэроионов Q (м-3) в воздуховоде видно, что при сушке зерна ЭАВ концентрация аэроионов в воздуховоде имеет прямую зависимость от скорости агента сушки V , коэффициента объемной рекомбинации аэроионов а и обратную зависимость от расстояния электроактиватора до зернового слоя L , скорости ухода

аэроионов на стенки воздуховода V0 (с _1) (зависимость от диэлектрических свойств материала, из которого сделан воздуховод). Коэффициентом пропорциональности

т -3

является L .

5. Согласно соотношению (7) две системы транспортировки ЭАВ по воздуховоду подобны, если подобны геометрические и диэлектрические свойства воздуховода, а также коэффициент рекомбинации аэроионов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Веников, В.А. Теория подобия и моделирования (применительно к задачам электроэнергетики): учебник для вузов по спец. «Кибернетика электр. систем»/ В.А. Веников. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1984.

2. Глущенко, Л.Ф. Интенсификация процессов пищевых и сельскохозяйственных

производств озоновоздушными смесями: учеб. пособие [Текст]/ Л.Ф. Глущенко,

Н.А. Глущенко; НовГУ им. Ярослава Мудрого. - Великий Новгород, 2003.

3. Глущенко, Л.Ф. Использование электроактивированного воздуха (ЭАВ) для сушки биологических объектов [Текст]/ Л.Ф. Глущенко, Н.А. Глущенко// Электронная обработка материалов. - 1987. - № 2. - С. 73-75.

4. Глущенко, Н.А. Решение задачи транспортировки электроактивированного воздуха по каналу/ Н.А. Глущенко, Л.Ф. Глущенко// Энергосберегающие сельскохозяйственные процессы и установки. - Горки: Изд-во БСХА, 1991.

5. Кононенко, А.Ф. Режимы предпосевной обработки семян электроактивированным воздухом с низкой концентрацией аэроионов: дис. ... канд. техн. наук/ А.Ф. Кононенко. -Зерноград, 2002.

6. Пат. 2065262 Российская Федерация, МПК A01F25/08, F26B3/34. Способ сушки семян зерновых культур [Текст]/Бородин И.Ф., Ксенз Н.В., Гореленко А.В., Ерешко А.С., Волкова В.А.; заявитель и патентообладатель Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт механизации и электрификации сельского хозяйства. - № 93021223/13, заявл. 23.04.95; опубл. 20.08.96.

7. Рудобашта, С.П. Кинетика низкотемпературной сушки озонированным воздухом [Текст]/ С.П. Рудобашта, Н.Н. Нуриев // Труды первой международной научнопрактической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов)». - В 4 т. - Т. 4. - С. 25-27.

8. Тихенький, В.И. Методы и средства повышения эффективности процесса сушки семян при электроразрядном воздействии на поток воздуха: дис. . канд. техн. наук [Текст] / В.И. Тихенький. - СПб.-Пушкин, 1993.

9. Ткачев, Р.В. Электроактивирование процесса сушки семян: дис. ... канд. техн. наук [Текст] / Р.В. Ткачев. - М., 2000.

10. Троцкая, Т.П. Электроактивирование процессов сушки растительных материалов [Текст]: автореф. дис. доктора техн. наук: 05.20.02. [Текст] /Т.П. Троцкая. - М., 1998.