CC BY
42
УДК 631.171: 621.31
Т. Э. Мирзахметов, В. А. Дроздиков, В. Н. Невзоров, И. В. Волков
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ТЕРМИЧЕСКОГО ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ЗЕРНА СВЧ-МЕТОДОМ
БЕЗ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
Ключевые слова: СВЧ-метод, тепловая обработка, обеззараживание зерна.
В работе рассматривается возможность термического обеззараживания зерна СВЧ-методом с использованием нескольких излучателей небольшой мощности. Обсуждаются пути получения равномерного нагрева всего объема зернового бункера.
Keywords:. SHF-method, thermal treatment, grain disinfection.
In this paper we consider the potential for use of thermal desinfection of grain by SHF-method using some small power oscillators. We discuss the opportunity of uniform heating all volume of grain tank.
Введение
Технология обработки при помощи сверхвысокочастотного электромагнитного поля (СВЧ) применяется для нагрева, сушки и обеззараживания сельскохозяйственной зерновой продукции. Эффективность применения СВЧ-методов для защиты семян и зерна от насекомых вредителей подтверждается многочисленными исследованиями, как у нас в стране, так и за рубежом. Причем СВЧ обработка применима как при дезинсекции, дезинфекции, так и при предпосевной стимуляции семян [1]. Преобразование СВЧ энергии происходит в объеме и практически безынерционно, поэтому можно добиться более интенсивного нарастания температуры при большей равномерности нагрева по сравнению с традиционными способами. СВЧ термообработка обладает рядом преимуществ. Так, отсутствие традиционного теплоносителя с механическим перемешиванием обеспечивает стерильность процесса, что важно при хранении селекционного зерна и регулирования нагревом.
Входными параметрами СВЧ нагрева являются время экспозиции, скорость нагрева и температура [2]. Основным критерием обеззараживания является температура нагрева зерна, которую рекомендуется выбирать в пределах 550 - 700 [1], в зависимости от влажности. При более высоких температурах наблюдается разрушение крахмала и потеря всхожести.
Промышленность изготавливает зерносушиль-ные СВЧ-установки средней мощности, типичный образец представлен в [3]. Интерес представляют простые по конструкции установки малой мощности для сельскохозяйственных станций, предназначенные для обработки селекционных сортов пшеницы.
Целью работы было изучение возможности обеспечения равномерного нагрева зерна в контейнере системой маломощных СВЧ-генераторов.
Оценка пространственного распределения удельной мощности электромагнитного поля
Рассмотрим формирование когерентного электромагнитного поля с помощью дискретных излучателей в виде диполей, находящихся в непосредственной близости от бункера с зерном [4]. Принципиальной особенностью такой конструкции является возможность с помощью подбора амплитуд и фаз мало-
мощных излучателей формировать сфокусированное поле, выделяющее в некоторой области достаточную для обеззараживания тепловую энергию. Управляя значениями амплитуд и фаз, можно перемещать эту область внутри всего бункера, достигая поставленных целей.
Оценка пространственного распределения удельной мощности электромагнитного поля выполнялась с использованием численных расчетов, для которых были введены некоторые ограничения и допущения.
Все излучатели расположены на N окружностях радиуса Я вокруг прямоугольного параллелепипеда (бункера с зерном) с одинаковым угловым шагом а = 2я/п, где п - количество излучателей на окружности. В работе п принималось равным 1, 2, 4. Центры окружностей размещены на оси 2, равномерно отстоят друг от друга с интервалом 4 а плоскости самих окружностей перпендикулярны оси 2. При этом, если количество окружностей нечетно, то центр средней окружности закреплен в начале координат (в точке О: х = 0, у = 0, ъ = 0), а если четно -центры двух средних окружностей отстоят от точки О на одинаковом расстоянии ^2.
Чтобы исключить влияние ближней зоны излучателей, которая может привести к перегреву зерна на поверхности бункера, зона расчета (весь объем бункера) отнесена от излучателей на некоторое расстояние и представлена симметричной фигурой -параллелепипедом - с размерами а х а в плоскости Х-У и Ь - вдоль оси 2. Центр параллелепипеда закреплен также в начале координат. Зона заполнена однородным и изотропным веществом (зерном) с постоянной относительной магнитной проницаемостью ц, постоянной комплексной относительной диэлектрической проницаемостью е' = е - 1ст / ю, где ст - постоянная электрическая проводимость среды; ю - круговая частота синусоидального электромагнитного поля, генерируемого излучателями; 1 - мнимая единица.
Для упрощения расчетов материал бункера не учитывался, а излучатели представлены точечными диполями, каждый из которых порождает электромагнитное поле с векторным потенциалом A¡ в направлении оси 2:
Л. (х, у, 2) = 20
Jj
......
1 (т -кЯ.)
где - единичный орт оси 2; 1 - амплитуда интенсивности поля излучателя; I - порядковый номер излучателя; Я] - расстояние от ^излучателя до точки пространства с координатами х,у,7
я. =Л/(Х-Х/нУ-У.)Ч(2-2/
Ф] - фазовый сдвиг _|-го излучателя относительно заданного момента времени; к - волновое число, равное
к =^е0 а >0 ц ;
е0 - диэлектрическая проницаемость вакуума; ц0 -магнитная проницаемость вакуума. В этом случае напряженность электрического поля
Е , порождаемого ]-м излучателем в заданной точке
}
поля, рассчитывается по формуле с
)=
<дгас1сИуА, + к2 А, )
¡те ц
где с - метрическая константа.
Суммарное поле от всех излучателей в заданной точке пространства определялось на основе принципа суперпозиции для каждой составляющей электрического поля вдоль осей координат, то есть
Е =
1=1
х ,У
У
где Ех, Еу, Е1 - х-, у- и 7-составляющие электрического поля, соответственно.
Магнитная составляющая поля не рассматривалась, так как она не связана с выделением тепловой энергии в веществе, необходимой для локального нагрева заданной области. Модуль Е электрической составляющей поля, выделяющей энергию в среде с потерями, вычислялся как
Е=| Е =д/ (ЯеЕх)2+(1п£х)2+(КеЕу)2+(1п£у)2+(КеЕ2)2+(1п£2)2,
где Яе - реальная часть, 1ш - мнимая часть.
При влажности зерна до 10% удельная мощность электромагнитного поля Руд, выделяемая в точке объема бункера, может быть оценена по формуле
[5]: 2 Руд = 0,034 Е2.
Расчет проводился в узловых точках сетки с задаваемым шагом дискретизации Д в зависимости от требуемой точности представления поля, размеров зоны расчета, времени вычисления. Опорный угол сетки закреплен в начале координат. Шаг дискретизации брался одинаковым вдоль всех орт системы координат.
Ниже приводятся результаты расчетов, полученные для следующих значений параметров. Частота излучения f = т / 2л = 2450 МГц, что соответствует длине волны X = 12,24 см. Указанная частота используется в бытовых генераторах СВЧ-поля и разрешена к применению. Радиус окружности Я = 30 см. Размер зоны расчета (бункера) а = 50 см, Ь = 50 см. Окружности с излучателями отстоят друг от друга на расстоянии d = X /2 = 6,12 см. Количество излучателей на окружности варьировалось от 1 до 4, а количество окружностей - от 1 до 2. Относительная магнитная
проницаемость ц = 1 и не изменялась. Также варьировались е = 1 .. .10 и ст.
Тепловые расчеты
Изучаемый объект представим в виде диэлектрического слоя, заполняющего бункер прямоугольной формы, с известным распределением мощности тепловых источников qv(x, у, 7).
Размеры слоя по осям системы координат составляют 1х = 1у = 12 = 0,5м. Считаем влияние стенок несущественным и не учитываем в расчетах [4]. Температурное поле диэлектрической среды для нестационарной задачи Т(х, у, 7, т) описывается дифференциальным уравнением вида
ср-
Т
2
= Х(-
Т
2
Т
2
2
У
2
Т
где с, р, X - соответственно теплоемкость, плотность и коэффициент теплопроводности; qv(x,y,z) - объемная плотность тепловыделения; Т - температурный перегрев относительно окружающей среды.
На внешней поверхности блока имеет место конвективный теплообмен, т.е. реализуются граничные условия третьего рода:
Т"
+ X-
+ аТ = 0
Начальное условие - Т0 = Т (х, у, 7).
Решение трехмерной нестационарной задачи будем проводить численным разностным методом, используя локально-одномерную схему. Разностную схему реализуем методом теплового баланса [6]. Число узлов сетки по координатным осям взято равным 10. Решение системы уравнений выполнено методом прогонки.
Мощность СВЧ-генератора принята равной 800 Вт. В качестве нормирующих значений принята температура при равномерном распределении источников тепла при той же общей мощности тепловыделения. Результаты соответствуют следующим размещениям излучателей: 1 - п=1, N=1; 2- п=2, N=1; 3- п=2, N=2; 4 - п=4, N=2.
Полученные результаты демонстрируют существенную неравномерность температурного толя, особенно существенную для варианта 1 с применением одного излучателя. В остальных случаях волновой характер нагрева является следствием интерференции электромагнитных волн. Наиболее приемлемым для практики является вариант 3 (п=2, N=2) с учетом широких возможностей управления фазами и, следовательно, перемещением пиковых значений мощности по объему.
Заключение
Рассмотрена возможность тепловой обработки семян с использованием систем СВЧ-генераторов небольшой мощности. Установлено, что неравномерность температурных полей связана с явлениями интерференции волн. Повышение равномерности без использования внешних теплоносителей и механического перемешивания может быть достигнута фазовым управлением излучателей.
+
+
т
7
п
Литература
1. Данилов Д.Ю. Тепловая обработка сельскохозяйственных материалов и пути повышения ее эффективности// Вестник НГИЭИ. - 2011. - №2, 3(4). - С.19-28.
2. Юсупова Г.Г. Обеспечение микробиологической безопасности зерновых культур в технологиях производства муки и хлебобулочных изделий. Дисс. докт. сельхоз. наук, Красноярский гос. аграрный университет, Красноярск, 2010. - 348 с.
3. http://act-agro.ru/index.php.
4. Даутов О.Ш. Формирование сфокусированного поля с помощью дискретных излучателей / О.Ш. Даутов, В.А.
Дроздиков, В.Н. Невзоров// Вестник КГТУ. - 2001. -№3. - С.68-71.
5. Дунаев С.А. Способы интенсификации технологических процессов в мясной отрасли: конспект лекций / С.А. Дунаев, А.А. Попов. Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, Кемерово, 2006. -64 с.
6. Дульнев Г.Н. и др. Применение ЭВМ для решения задач теплообмена: Учебное пособие для теплофизиче-ских и теплоэнергетических специальностей вузов / Г.Н. Дульнев, В.Г. Парфенов, А.В. Сигалов, М., Высшая школа, 1990. - 207 с.
© Т. Э. Мирзахметов - магистр кафедры Информационных технологий проектирования электронно-вычислительных средств КНИТУ им. А.Н. Туполева. tim.wayne1991@gmail.com; В. А. Дроздиков - доцент той же кафедры, vdrozdikov@yandex.ru; В. Н. Невзоров - доцент той же кафедры, nevzorovvn@gmail.com; И. В. Волков - доц. каф. Химии и технологии переработки эластомеров КНИТУ, ivvolkov@mail.ru.
© T. E. Mirzahmetov - Magistr the Department of Information Technologies of Computer Design, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev, tim.wayne1991@gmail.com; V. A. Drozdikov - Associated Professor the Department of Information Technologies of Computer Design, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev, vdrozdikov@yandex.ru; V. N. Nevzorov - Associated Professor the Department of Information Technologies of Computer Design, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev, nevzorovvn@gmail.com; 1 V. Volkov - Associated Professor of Kazan National Research Technological University.
