CC BY
176
1. НАУЧНАЯ ШКОЛА РАХИМОВА Р. Х.
О
- II
Рахимов Рустам Хакимович - доктор технических наук, зав. лабораторией №1
Института Материаловедения Научно-производственного объединения «Физика-Солнце»
Академии наук Республики Узбекистан
ПЛАЗМЕННЫЕ, ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ, МИКРОВОЛНОВЫЕ И
ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
1.1. ОСОБЕННОСТИ СИНТЕЗА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ КЕРАМИКИ С КОМПЛЕКСОМ ЗАДАННЫХ СВОЙСТВ РАДИАЦИОННЫМ МЕТОДОМ.
ЧАСТЬ 6
Рахимов Рустам Хакимович, доктор технических наук, зав. лабораторией №1. Институт Материаловедения Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. E-mail: [email protected].
Ермаков Владимир Петрович, старший научный сотрудник, лаборатория №1. Институт Материаловедения. Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. E-mail: [email protected]
Рахимов Мурод Рустамович, младший научный сотрудник, лаборатория №1. Институт Материаловедения. Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. E-mail: [email protected]
Латипов Рустам Наимжанович, инженер, лаборатория №1. Институт Материаловедения. Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. E-mail: [email protected]
Аннотация: Разработан метод эффективной сушки объектов с применением функциональной керамики. Для достижения поставленной цели, используются два вида керамических материалов. Один обеспечивает высококачественную и эффективную сушку хлопка-сырца, с одновременной стимуляцией развития и роста растений. Второй - эффективную стерилизацию, для качественного хранения. Предварительные результаты показали, что при ИК-сушке, с использованием функциональной керамики, суммарный энергетический расход до 9-10 раз ниже, чем при традиционном способе, а затраты электроэнергии снижаются более, чем в 2-3 раза. При относительно небольшом расходе энергии метод позволяет получить конечный продукт с содержанием остаточной влаги не более 6-7%.
Ключевые слова: функциональная керамика, импульсное излучение, преобразователи спектра, фито-хром, ферменты.
1.1. FEATURES OF SYNTHESIS OF FUNCTIONAL CERAMICS WITH A COMPLEX OF THE SET PROPERTIES BY A RADIATION METHOD. PART 6
Rakhimov Rustam Khakimovich., doctor of technical Sciences, head of laboratory №1. Institute of materials science, «Physics-sun». Uzbekistan Academy of sciences. E-mail: [email protected]
Yermakov Vladimir Petrovich, senior research associate, laboratory №1. Institute of materials science, «Physics-sun». Uzbeki-stan Academy of sciences. E-mail: [email protected]
Rakhimov Murod Rustamovich, laboratory №1. Institute of materials science, «Physics-sun». Uzbekistan Academy of sciences. E-mail: [email protected]
Latipov Rustam Naimzhanovich, engineer laboratory №1. Institute of materials science, «Physics-sun». Uzbekistan Academy of sciences. E-mail: [email protected]
Abstract: The method of effective drying of objects using functional ceramics is developed. For achievement of an effective objective, two types of ceramic materials are used. One provides high-quality and effective drying of cotton raw, with simultaneous stimulation of development and growth of plants. The second - effective sterilization, for high-quality storage. Preliminary results have shown that in case of IK-drying, with use of functional ceramics, the total energy expense is up to 9-10 times lower, than in case of a traditional method, and costs of the electric power decrease more, than by 2-3 times. In case of rather small power consumption the method allows to receive an end product with content of residual moisture no more than 6-7%.
Index terms: functional ceramics, pulse radiation, range converters, phytochrome, enzymes.
Целью данной работы является создание системы, позволяющей проводить качественную и эффективную сушку продуктов с обеспечением высокой стерильности при минимальных энергетических и временных затратах.
Принято считать, что наилучшего эффекта в процессах сушки можно достичь в тех случаях, когда излучение максимально поглощается водой и минимально основным материалом. На первый взгляд это кажется верным. В чем же в действительности заключается проблема сушки? Если мы говорим о тонких слоях наших объектов, то все, в основном, сводится к тому, чтобы они не перегревались и сохраняли активные свойства, Кроме того, желательно снизить расход энергии и времени. Не последнюю очередь занимают удобство эксплуатации и надежность устройств. В тонких слоях слабо проявляется проблема диффузии растворителя из внутренних слоев высушиваемого продукта. Когда же дело касается толстых слоев, то эта проблема выходит на первое место, так как именно она является самой медленной стадией процесса сушки и суммарная скорость будет определяться именно ею. Когда речь идет о вакуумной сушке, то подразумевается, что вакуум помогает ускорить именно эту стадию. Конечно, при этом усложняются конструкции и существенно возрастает себестоимость, а также исключается применения таких систем в быту.
Понятно, что простое добавление мощности на излучатели не ускорит процесса сушки, но резко снизит качество конечного продукта - очень быстро наступает такая стадия, когда продукт начнет перегреваться и темнеть на поверхности за счет деструкции содержащихся веществ. Но, как это не покажется странным, процесс сушки может даже замедлиться. Дело в том, что поверхностный слой перегреваясь полимеризуется и становится малопроницаемым для паров. Касается ли это продуктов питания, краски, пластмассы или дерева. Самый простой вариант решения этой проблемы, -это использовать импульсы высокой плотности при низкой средней мощности. Учитывая, что вода поглощает в инфракрасной области и прозрачна в видимой области спектра, для сушки необходимо использовать именно эту часть спектра. Кроме того, как уже было сказано [1] можно получить из одного кванта высокой энергии несколько квантов энергии в области поглощения воды. Возможные механизмы преобразования энергии первичного источника энергии в импульсное с заданными параметрами приводится в [2]
Таким образом, применение функциональной керамики позволяет существенно снизить расход энергии и повысить качество конечного продукта.
Допустим, что при мощности Р глубина проникновения используемого излучения, когда оно ослабляется до определенной величины (обычно
принято говорить о двукратном ослаблении) за счет поглощения продуктом, составляет, например, 2 мм. Если подается импульсное излучение с плотностью в 100 раз большей средней, то для получения той же плотности энергии внутри продукта при том же коэффициенте экстинкции, глубина проникновения излучения увеличится, примерно, во столько же раз. Для того, чтобы продукт не перегревался, необходимо, примерно, 100 длительностей импульса не подавать никакой энергии. Характерно, что теперь можно существенно увеличить среднюю мощность, так как энергия распределяется уже не только по поверхности, но и по объему. Кроме того, так как диффузия растворителя из внутренних слоев значительно возросла, то он захватывает с собой излишнюю энергию, что приводит к охлаждению высушиваемого продукта. Если соблюдается условие импульсной подачи энергии и правильно выбран спектральный диапазон, рассчитана оптимальная газодинамика для отвода пара, то продукт может иметь температуру при его, фактически нагреве, ниже температуры окружающей среды. Так, в сушилках «Узбекистан», «Восток», «Астра» и других наших разработках, где используется специальная функциональная керамика, температура продукта составляла ниже 17-19оС, при температуре внешней среды 30-38оС, в зависимости от общей вентиляции помещения и влажности воздуха. Для того, чтобы подтвердить данное предположение, импульсная керамика была использована совместно с вакуумной. Это не дает существенного эффекта, так как вакуум уже воздействует на самую медленную стадию - диффузию воды из внутренних слоев и, таким образом, значительно ускоряет суммарную скорость процесса. В Институте Биохимии АН РУЗ подтвердили предположения на примере сушки коровьего молозива, разлитого в пенициллиновые флаконы по 2 мл. В результате проведенного эксперимента скорость сушки увеличилась, что привело к сокращению времени сушки на 4 часа, по сравнению с обычным регламентом без керамических излучателей (24 часа). Хотя время сушки сократилось на 4 часа, но в процентном отношении это составляет чуть более 16%.
Как известно, любое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля, излучает энергию в определенном диапазоне, максимум которого зависит от температуры, примерно, по закону Длина волны максимума излучения = 2898/Т, где Т - абсолютная температура.
Если снять спектры для различных температур, то получим семейство кривых (рис.1.).
С учетом всего сказанного была разработана керамика, преобразующая непрерывное излучение первичного источника в импульсное излучение инфракрасного диапазона о механизме действия которой уже было сказано [2].
Разработан целый спектр керамических материалов и конструкций сушильных устройств для сушки различных объектов. Как уже было сказано, высокая эффективность таких устройств определяется, в первую очередь, генерацией импульсов самой керамикой, что позволяет ускорить самую медленную стадию сушки - диффузию воды из глубинных слоев. Для проверки этой идеи был изготовлен однополочный образец с двумя группами излучателей, покрытых импульсно-
преобразующей керамикой - над сетчатым поддоном, в который помещался объект, и под ним (рис.3.). Таким образом, объект освещался ИК-импульсами снизу и сверху. Для сравнения был изготовлен точно такой же макет, но с излучателями без керамического покрытия. Толщина слоя продукта (моркови, нашинкованной соломкой или кубиками), составляла 3 см. Макеты устанавливались на весы и определялась убыль массы высушиваемой моркови от времени сушки. Некоторые из полученных результатов приводятся на рис.2. Как следует из приведенных данных, скорость сушки в случае применения керамических покрытий значительно превышает этот показатель для прототипа.
Длина волны X, мкм
Рис. 1. Спектральное распределение поверхностной плотности потоков излучения черного тела (по оси ординат - Вт/(м2.мкм), рассчитанное по закону Планка.
Одной из главных, особенно в случае шкафной сушки, является проблема отвода пара, образующегося при испарении растворителя, в частности, воды. Пар задерживается в рабочем объеме, поглощает большую часть энергии излучателей. Это приводит к перегреву продукта, что не только снижает эффективность использования энергии, но и резко ухудшает качество целевого продукта, так как продукт начинает нагреваться под воздействие перегретого пара. Он становится темным, неоднородно-высушенным. Для устранения этого процесса разработаны две системы отвода пара.
г ¡9 м И И 1И 1» 1« и» 13а т гг»
_[ . ■! ■_
Рис.2. Зависимость остаточной массы моркови от времени сушки.
1 - ТЭНы, 2 - муллит с содержанием 0,5% активной керамики, 3 - муллит с содержанием 1% активной керамики, 4 - муллит с содержанием 2% активной керамики, 5 - муллит с содержанием 4% активной керамики.
Рис.3. Схема расположения излучателей.
1. Использованы эжекторы (рис.4.,а). В этом случае пар отводится за счет эжекции. Преимущество данной системы заключается в том, что она может быть применена для сушильных установок любого размера и не требует коренной переработки конструкции при этом. Фактически, создается насос в канале между эжектором и стенкой устройства, который интенсивно выводит выделяемую из продуктов влагу за счет избыточного тепла и не требует дополнительной затраты энергии на принудительную вентиляцию камеры.
2. Применена лабиринтная система (рис.4.,б). Этот вариант позволил увеличить единовременную загрузку в 1,6 раза, а также снижает энергетические затраты на 15-25%, в зависимости от типа продукта. Такая конструкция позволяет в полной мере использовать для сушки и конвективную составляющую. Недостатком ее является необходи-
мость очень точного расчета геометрических размеров и формы канала (фактически, эжекторов). Даже при незначительных конструктивных изменениях, для получения максимальной эффективности устройства требуется очень точное моделирование, иначе не достигается максимальная эффективность процесса.
Важное значение имеет правильный выбор числа и расположения излучателей. Оптимальной является схема приведенная на рис.3, которая показала свою высокую эффективность.
Излучатели располагаются в шахматном порядке для того, чтобы при освещении снизу и сверху создать максимально равномерную зону облучения. Число излучателей и высота их расположения выбирается исходя из того, что строится равносторонний треугольник с вершинами из двух излучателей и точкой максимальной загрузки поддона - для верхних излучателей, а для нижних - эта вершина находится на дне поддона. В дальнейшем этот принцип был использован и для расчета сушильных устройств больших размеров. Угол наклона эжектора и его форма выбираются из условия, что проекция нижней части эжектора должна перекрывать середину поддона. В то же время, недопустимо, чтобы эжектор перекрывал ход лучей к продукту, так как это снижает эффективность системы. В этом случае обеспечивается максимальная эффективность отвода пара и использование подводимой энергии. В лабиринтной системе (рис.4.,б) необходимо, кроме перечисленного, обратить внимание на сужение канала в верхних зонах. Это создает большую скорость потока паровоздушной смеси, что ускоряет отвод пара.
Существенное влияние на параметры сушильного устройства оказывает распределение мощностей по полкам в многополочной системе. При прочих равных условиях, наилучший эффект достигается при повышенной мощности самой нижней группы на 15-25%. Объясняется это тем, что входящий воздух (снизу), является более холодным, чем в последующих слоях. По мере высыхания продукта, количество воды в нем уменьшается и при постоянной мощности испаряющейся влаги может оказаться недостаточно для отвода избыточного тепла. Поэтому в этих сушилках введен специальный режим, позволяющий снизить мощность в два раза и перейти, в так называемый, «режим досушки».
Есть и другой, иногда более эффективный путь решения данной проблемы. Дело в том, что продукты при сушке значительно уменьшаются как по массе, так и по объему. Например, лук - в 12 раз, морковь - в 8-11 раз, капуста - до 40 раз и т.д. В связи с этим, после снижения суммарной массы в 3-4 раза, продукты с верхних полок можно пересыпать на нижнюю, тогда толщина слоя будет достаточной для выделения необходимого количества влаги для охлаждения. Освободившиеся верхние полки загружаются свежей продукцией. Это позволяет существенно поднять производительность установки. Такой подход особенно выгоден при использовании относительно больших установок, например, фермерами. Получается как бы непрерывный режим. Для многоэтажных конвейерных сушилок, скорость движения ленты по мере перехода продукта на нижние слои, замедляется, что ведет к накоплению более толстых слоев продукта, выделяется достаточно влаги для
охлаждения и появляется возможность получать высококачественную продукцию.
Следует еще раз сказать о том, что при правильно выбранной конструкции, функциональной керамики для покрытия излучателей, их мощности, температура на продукте должна быть ниже температуры окружающей среды. Охлаждение идет за счет интенсивного испарения выделяющейся влаги. На скорость сушки и температуру продукта влияет влажность воздуха. Для таких условий была разработана специальная керамика, о которой речь пойдет в соответствующей главе. Сушилки, при испытаниях, проведенных в США, Малайзии, Сингапуре, Вьетнаме, Таиланде, где относительная влажность достигает 95-100%, показали превосходные результаты. Ни один из аналогов, фактически не обеспечивал нормальной сушки, не говоря о слишком большом расходе энергии, низком качестве получаемой продукции и слишком длинных временах сушки.
б
Рис.4. Системы отвода пара.
Следует отметить, что при непрерывном режиме излучение, практически поглощается только верхним слоем продукта. Это приводит к тому, что микроорганизмы, находящиеся в продукте, могут оставаться в глубинных слоях не повреждаясь. Другими словами, степень стерильности в этом случае будет очень низкой. В случае использования импульсных излучателей-преобразователей, ИК-импульсы проникают в глубинные слои и, таким образом, уничтожают микроорганизмы, осуществляя достаточную стерильность продуктов. Проведенные сравнительные испытания на стерильность продуктов после сушки с обычными излучателями и с керамическим покрытием, показали, что применение функциональной керамики позволило снизить обсемененность более, чем в 100000 раз, в то время как обычные ТЭНы снижают
обсемененность лишь в 5000 раз. О качестве получаемой продукции можно судить по тому факту, что проведенные органолептические испытания по 5-ти бальной шкале дали 5 баллов и почти полную сохранность витаминов.
На первый взгляд кажется, что чем больше мощность импульсов, тем лучше и эффективнее будет проходить процесс сушки. В действительности это совсем не так. Проведенные эксперименты показали, что если использовать мощные импульсы, то вода, содержащаяся в клетках продуктов, быстро превращается в пар и «взрывает» клетку. В этом случае говорить о высоком качестве целевого продукта не приходится. Конечно, при этом наблюдается 100% стерильность, так как и микроорганизмы содержат воду, которая, превращаясь в пар, разрушает их.
а
Вторая причина заключается в том, что если импульсы слишком мощные, то они проходят слишком далеко и большая часть энергии теряется, не поглощаясь продуктом. Если вернуться к варианту, когда мощность в импульсе превышает среднюю в 100 раз, то глубина проникновения при том же заданном уровне освещенности, составит около 200 миллиметров. Толщина же продукта составляет всего 30-60 мм. При этом непоглощенная энергия большей частью теряется. Теоретически, для такой толщины необходимо увеличить мощность в импульсе в (30-60):2=(15-30) раз. Кроме этого нужно еще учитывать и ту часть энергии, которая в такой «разбавленной» керамике проходит, не преобразуясь в импульсы.
Исходя из полученных предварительных результатов, было решено создать такую систему, которая позволила бы проводить эффективную сушку с наивысшим качеством получаемого продукта и высокой стерильностью при минимальных энергетических и временных затратах. Были начаты широкие исследования в подборе и модификации керамики. Выбор остановили на муллите, так как, изготовленный по специальной технологии, он имеет спектр пропускания до 25 микрон и не поглощает импульсы, генерируемые функциональной керамикой или поглощает их незначительно. После выбора «разбавителя», - так как муллит в этом случае был предназначен для «разбавления» импульсной керамики, начались эксперименты с выбором оптимального соотношения с активной, импульсной керамикой [2].
б
Рис.5. а-Керамика 4. Муллит -96%, импульсная керамика - 4% б-Керамика 0,5. Муллит -99,5%, импульсная
керамика - 0,5% На рис.5. приводятся микрофотографии (увеличение 100Х) двух «разведенных» составов с содержанием 4 и 0,5 процента импульсной керамики. Как следует из приведенных данных, в муллите видны зерна активной керамики, которая обладает способностью к импульсному преобразованию энергии первичного источника излучения. Отработку оптимальных составов и режимов проводи-
ли используя в качестве объектов для сушки различные овощи и фрукты, которые реагируют на жесткое излучение или недостаточную стерильность потемнением. Исследования проводили Республиканской СЭС (Ташкент), Институтом Санги-гиены им. Мечникова и Институтом Советской Торговли (С-Пб), Институтом биохимии АН РУЗ (Ташкент). В результате проведенных экспериментов показано, что наиболее оптимальным является муллит с содержанием импульсной керамики 0,51%.
На заключительном этапе для проверки эффективности метода, испытания проводили используя в качестве объектов кровь животных. Такой продукт используется для получения специальных препаратов - липосом, которые служат для «адресной доставки» лекарств. При этом необходимое количество лекарств снижается в 5-10 раз, что дает значительно меньший побочный эффект при высокой степени прямого действия. Исследования качества полученной таким методом сушеной крови, проводили в Институте Биохимии АН РУЗ (проф. Исаев Э.И). Результаты испытаний показали, что кровь сохраняет 99-100% активности.
Также для проверки эффективности метода использовали сушку листьев тутового шелкопряда. Дело в том, что если ферменты листьев тутового шелкопряда инактивируются, шелкопряд не ест их, так как не в состоянии переварить такую пищу. После сушки указанным методом, листья сохраняют 100% активность ферментов. Используя сушеные таким способом листья, заведующим лабораторией Института Шелководства АН РУЗ Мадьяровым Ш.Р. было разработано 22 вида корма из пищевых отходов, а также выработана схема кормления шелкопряда таким образом, чтобы получать шелк с заданными параметрами. В дальнейшем эта работа была апробирована в Малайзии, Южной Корее и Японии, где применяется и поныне.
К вопросу о стерилизации при сушке с использованием функциональной импульсной керамики. Любой организм, будь то бактерия, грибок, вирус и т.д. размножается копируя ДНК или РНК. Копирование включает процесс синтеза. Этот синтез осуществляется определенным ферментом. Например, наш копирующий фермент - это тело-мераза. Гепатит А имеет фермент РНК-полимеразу, гепатит В - ДНК-полимеразу, онковирусы или вирус СПИДа - фермент ревертазу и т.д. В момент копирования идет рост цепи ДНК или РНК. Этот рост идет через образование фермент-
а
субстратного комплекса, который представляет из себя все удлиняющийся радикал. Импульсная керамика образует из липидов или супероксидов вспомогательные радикалы, которые затем вторым импульсом заставляет рекомбинировать растущие радикалы (фермент-субстратные комплексы) с этим вспомогательным радикалом. Стерилизация происходит за счет инактивации ферментов. Более подробно этот механизм будет рассмотрен ниже.
Сушка фруктовых паст, специальных продуктов и кормов
Чипсы, изготовленные из сушеной фруктовой пасты, являются совершенно новым продуктом и, следовательно, «обычной» технологии их производства нет.
Все попытки высушить фруктовую пасту обычными способами, например, в обыкновенных сушилках и печах, а так же в микроволновых печах, не дали положительных результатов. Сама фруктовая паста из-за содержания большого количества сахаров, очень чувствительна к перегреву. Перегрев продукта или его ожог придает продуктам привкус сгоревшего сахара, вследствие сжигания фруктовых сахаров и способствует потере экстрактивных ароматических веществ, что приводит к утрате особого специфического вкуса присущего каждому продукту. Обычная низкотемпературная сушка, не позволяет сушить фруктовую пасту до уровня минимальной влажности, когда достигаются качественные, присущие чипсам, хрустящие свойства.
Положительные результаты были получены лишь на сушильной установке, оборудованной излучающими элементами, покрытыми специальной функциональной керамикой,
Для испытаний применялась финиковая паста с содержанием влажности 17-18%, глюкозы - около 35%. Для получения специфических «качественных» свойств присущих данному продукту, остаточная влажность финиковой пасты не должна превышать 3%.
Ниже, в таблице 1 приводятся результаты сушки финиковой пасты. Время сушки контрольных навесок фруктовой пасты, составило в случаях 7-12 минут, в зависимости от загрузки сушильного шкафа.
Таблица 1.
Сушка финиковой пасты при изготовлении фруктовых чипсов.
Время 7 минут Полка 1 Полка 2 Полка 3 Полка 4 Полка 5
Начальный вес, грамм 24.3 21.6 23.2 23.6 20.6
Общий вес, грамм 113.3
Сухой вес, грамм 21.2 | 18.4 | 19.4 | 20.4 | 17.2
Общий сухой вес, грамм 96.6
Исходная влажность 17%
Окончательная влажность 2,26%
Так как чипсы из фруктовых паст являются совершенно новым продуктом, получать которые возможно только на сушилках оборудованных специальной функциональной керамикой, то сравнивать процесс сушки с каким-то другим, не представляется возможным.
Концерн ДЕГУССА, занимается производством специальных продуктов, например метионина. Эта аминокислота не допускает применения обычных методов сушки, так как при этом происходит деструкция продукта. Метод сушки с использованием специальной функциональной керамики, оказался единственной приемлемой технологией для сушки этого материала. Сушка до определенного конди-ционнного остаточного процента влажности, в зависимости от подведенной мощности, занимает время от 10 до 25 минут.
Также проведены предварительные исследовательские работы по подготовке к промышленному применению метода сушки с использованием ИК керамических преобразователей в следующих направлениях:
- сушка трав и растительных кормов для применения в животноводстве и птицеводстве, а так же сушка корма для собак. Получены корма с высоким содержанием витаминов и основных пищевых веществ, характеризующих качество продуктов;
- сушка упаковочного материала из биологического сырья (биологический упаковочный материал);
- сушка сухарей (сухари получаются особо нежными и рассыпчатыми);
- сушка солода (пивоварение);
- сушка супов и различных блюд с целью получения питания в виде концентратов быстрого приготовления, при сохранении всех вкусовых и качественных показателей готового продукта.
Это наиболее важное и интересное направление. Физико-химические исследования качества готовой продукции и расчеты потерь основных пищевых веществ при ИК сушке с применением керамических преобразователей спектра на основе функциональной керамики, свидетельствуют, что только этот метод сушки обеспечивает наивысшую сохранность белков, липидов, биологически ак-
тивных и экстрактивных веществ, а так же витаминов. Отсутствие микробной обсемененности изделий свидетельствует об их хорошем санитарно-бактериологическом состоянии, сказывающемся на сроках хранения продуктов. Ни в одном из исследованных полуфабрикатов не было выявлено условно-патогенных и патогенных бактерий; готовые изделия имели низкий коли-титр. Органолеп-тической оценке качества изделия прошедшего сушку, подвергался продукт, плохо поддающийся сушке и почти полностью теряющий при этом свои вкусовые качества - это узбекский плов. Оценка качества базировалась на экспериментальном определении сенсорной чувствительности дегустаторов. Результаты оценки свидетельствуют, что такие показатели, как вкус, аромат, сочность, консистенция, у восстановленного после сушки продукта такие же, как и у свежеприготовленного плова. Проводя сушку в сушилках оборудованных излучающими элементами, покрытыми функциональной керамикой, появляется возможность заготавливать на относительно долгое хранение готовые блюда и продукты, которые прошли полную стадию приготовления, имеющие высокие питающие и качественные свойства. Время восстановления продуктов - 3 минуты.
Все контрольные и сравнительные сушки различных продуктов и промышленных материалов показали, что используя специальную функциональную керамику, синтезировать которую стало возможным благодаря использованию Большой Солнечной Печи, можно получать высокие экономические и качественные показатели для различных продуктов и промышленных технических материалов.
Конвейерная сушка овощей и фруктов повышенной влажности воздуха
Эффективность традиционных методов сушки очень низка, особенно в условиях повышенной влажности атмосферы. Совместно с Институтом Послеуборочных Технологий (Вьетнам), проведены исследования эффективности метода сушки с использованием функциональной керамики. Институтом Послеуборочных Технологий (Вьетнам) на базе серийной сушилки «ВОСТОК», нашей разработки, оборудованной элементами покрытыми
функциональной керамикой, проведены контрольные сушки продуктов. Результаты сравнивались с высокопроизводительной серийной ИК лучевой сушилкой (без функциональной керамики) производства Китая. Качественные результаты сушки на сушилке «ВОСТОК», оказались лучше, даже при использовании керамических излучателей серийного типа без оптимизации к типу высушиваемого продукта. По полученным данным, был проведен анализ тестовых результатов сушки. В дальнейшем: в местных, тропических климатических условиях эксплуатации сушильной установки, был подобран тип керамики и изменена мощность излучателей.
Испытание модернизированного серийного устройства «Восток - 1п1таК», и серия новых контрольных испытаний, показала, что время сушки снизилось, по сравнению с предыдущими значениями (полученными на серийной установке «ВОСТОК») в 1,6-3,5 раза при более высоком качестве (из заключений отчета Института Послеуборочных Технологий).
Все нижеприведенные сравнительные данные, предоставлены Институтом Послеуборочных Технологий (СРВ) Вьетнам. Эти данные были получены в условиях тропического климата с высокой влажностью, при самых неблагоприятных условиях для проведения процесса сушки зерна, фруктов и овощей.
Результаты исследований приводятся ниже.
Таблица 2.
Эффективность сушилки «Восток - !п1та^> при сушке арахиса.
Время сушки, (час.) Влажность (%) Потеря влажности в сравнении с исходной (%)
«Восток - Обычная сушилка «Восток - Обычная сушилка
0 45,20 45,20 0 0
1.30 28,60 - 16,60 -
2,00 22,98 38,12 22,22 6,08
3,00 15,30 - 29,90 -
4,00 11,20 32,78 34,00 12,42
5,00 7,90 - 37,30 -
5,30 7,43 - 37,78 -
7,00 - 24,37 - 20,83
9,15 - 20,20 - 25,00
11,15 - 16,05 - 29,15
13,00 - 11,87 - 34,33
16,30 - 8,54 - 36,74
Динамика сушки арахиса
о -I-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1
О 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Время, час
Рис. 6. Динамика сушки арахиса.
Сушка бананов
Время, час.
"Восток - InfraR" —■— Обычная сушилка
Время, час.
— "Восток - Тий^аЯ" —■— Обычная сушилка
Рис. 7. Динамика сушки бананов и манго.
Таблица 3.
Эффективность сушилки «Восток - !п1га^> при сушке бананов и манго.
Таблица 4.
Эффективность сушилки «Восток - !п1га^> при сушке кукурузы.
Время сушки (час.) «Восток -Влажность продуктов (%) Обычная сушилка Влажность продуктов (%)
Бананы Манго Бананы Манго
0 70,41 84,64 70,41 84,64
3 61,68 75,50 70,31 83,40
4 39,28 69,75 64,24 82,37
5 34,12 53,16 59,50 78,57
7 21,60 41,72 56,81 73,24
10 16,60 28,89 52,50 70,80
12 14,70 19,72 47,75 62,31
14 12,30 16,76 30,93 57,43
16 7,50 9,91 27,52 38,14
18 - - 26,00 31,11
22 - - 21,58 24,00
26 - - 17,50 9,90
30 - - 12,80 -
32 - - 9,30 -
Время сушки (час.) Влажность (%) Потеря влажности в сравнении с исходной (%)
«Восток -InfraR» Обычная сушилка «Восток -InfraR» Обычная сушилка
0 43.8 43.8 0 0
1 36.8 42.1 7.0 1.7
2 28.8 40 15.0 -
3 21.2 37.6 22.6 6.2
4 14.5 33.3 - 10.5
5 7 29.5 33.2 -
6 - 24 - 14.3
7 - 17.6 - 26.2
8 - 14.6 - 29.0
9 - 11.6 - 32.2
Время, час.
—♦— "Восток - 1п&аЯ"
Обычная сушилка
Рис. 8. Динамика сушки кукурузы.
Таблица 5.
Эффективность сушилки «Восток - !п1га^> при сушке фруктов и овощей.
№ Фрукты и овощи Темпер. сушки (С) Влажность (%) Конечная влажность (%) Снижение влажности (%) Время сушки (час.)
Начальные параметры Сушил. ИК кер. Сшил. Китай Сушил. ИК кер. Сшил. Китай Сушил. ИК кер. Сушил. Китай
1 Лук 55-60 94,66 9,22 9,38 85,44 85,28 4,12 9,08
2 Егуп§шт 55-60 92,01 10,81 11,17 81,19 84,94 3,03 7,25
3 Укроп 60-65 88,45 9,02 9,35 79,43 79,10 5,09 8,33
4 Желтый перец 60-65 82,20 8,11 8,25 74,09 73,95 6,06 9,12
5 Помидоры 60-65 93,84 9,75 10,14 84,09 83,70 6,20 14,03
6 Ка ртофель 60-65 78,28 10,42 11,05 67,86 67,23 5,00 9,40
7 Морковь 60-65 87,84 8,72 9,25 79,12 78,59 6,20 14,10
8 Ананас 60-65 84,61 9,46 10,23 75,15 74,38 6,03 10,12
16
14
12
о 10
8
Я
(1)
Вр 6
4
2
0
Динамика сушки продуктов
и
<<
□ Сушил. ИК кер.
□ Сушилка кит.
Рис.9. Сушка фруктов и овощей.
Таким образом, в условиях почти 100% влажности воздуха использование функциональной керамики в устройствах сушки позволяет поднять эффективность сушки, снизить энергозатраты, сократить время сушки в 1,6-3,5 раз по сравнению с прототипами.
Кроме того, качество получаемого целевого продукта значительно превосходит качество продуктов, полученных по обычным технологиям.
Конвейерная сушка риса и кукурузы при повышенной влажности воздуха
Задача переработки и сохранения выращенного урожая риса стоит не только перед странами юго-восточного региона. Такая же проблема стоит в Европе и США. Авторы встречались со специалистами этих стран. Можно сказать, что примерно, треть выращенного урожая теряется из-за несовершенства методов переработки и хранения, главным из которых является сушка и предварительная стерилизация зерна. Эффективность традиционных методов сушки очень низка, особенно в условиях повышенной влажности атмосферы.
В таблице 6 отображена эффективность применения керамических излучателей при сушке риса «падди».
Система 1 - означает сушку при температуре 42-55оС и половинной мощности установки.
Система 2 - означает сушку при температуре 60-65оС при полной мощности установки.
Контроль - сушка риса падди обычной лабораторной сушилкой с изолированным покрытием (Китай), при температуре 55-60оС.
Таблица 6.
Сушка риса при различных температурах и мощности ИК установки.
Время Сушки (ч) Влажность (%) Потеря влажности по сравнению с исходной (%)
Система 1 Система 2 Контроль Система 1 Система 2 Контроль
0 20,6 26,3 26,3 0 0 0
1 13,5 17,3 25,2 6,1 9,0 1,1
2 11,1 12,9 17,9 9,5 13,4 8,4
3 8,7 9,2 14,9 11,9 17,1 11,4
6 - - 12,9 - - 13,4
7 - - 11,3 - - 15,0
ры сушки (при различных внешних температурах воздуха) на растрескиваемость зерна, при определенном подводе мощности к излучающим элементам, спроектирован многоярусный конвейер пересыпного типа.
Динамика сушки риса при разли ной мощности и температуре.
30
25
£ 20 V. и Суш. Система 1 Суш. Система 2
I 15 ■ ■.....ж - - - А- - - Контроль
10 А
0 12 3 4 Время, час. 5 6 7
Известно, что чем более высокий уровень рас-трескиваемости, тем большее количество риса стирается и шелушится и, следовательно, снижается его качество и потребительские свойства. Таким образом, главными требованиями в процессе сушки риса, являются экономичность и скорость сушки, при минимальном уровне растрескивания зерна. Сушильная промышленность должна обеспечивать наименьший уровень потерь. Уровень растрескивания зерна, определялся в «Институте Послеуборочных Технологий» известным методом. Укладывалось 100 зерен «падди» на посеребренное стекло под флуоресцентную лампу и определялся уровень растрескиваемости (процентное отношение). Изучив сравнительные данные по сушке, полученную динамику сушки риса, кукурузы и ячменя, а также зависимость влияния плотности высушиваемого зерна на необходимый уровень мощности ИК излучения, влияние температу-
Рис. 10. Динамика сушки риса.
Конвейер представляет собой конструкцию шкафного типа, размером 2880мм х 900мм х 2800мм.
Семь рядов транспортерных сеток шириной 600мм, устанавливаются со смещением так, чтобы продукт в процессе сушки, пересыпался с верхних рядов на нижние ряды, двигающиеся во встречном направлении. Излучатели установлены вдоль направления движения транспортерной сетки. Расстояние между элементами, расстояние от сетки до элементов и мощности излучателей выбраны такие, чтобы обеспечивался равномерный поток лучевой энергии, пронизывающий определенную закладываемую толщину слоя риса. Суммарная длина активной зоны составляет 14 метров. Скорость возгонки влаги из продукта при нормальном атмосферном давлении, ограничена структурой самого продукта (плотностью). Дальнейшее увеличение длины активной зоны транспортера в одной конструкции оказалось нецелесообразным. Увеличение длины активной зоны, требует увеличения скорости транспортера. Это, в свою очередь, требует как увеличения подводимой мощности ИК потока, так и мощности приводов, так как весовая нагрузка на транспортерную ленту повышается. Спроектированный конвейер предназначен для работы в непосредственной близости от мест переработки и складирования продукции, где, как правило, нагрузка на электрические сети ограничена мощностью небольших силовых подстанций. Учитывая поставленные задачи, для данной конструкции, потребители пришли к выводу, что производительность, габариты и мощностные нагрузочные характеристики - оптимальны. Дальнейшая коррекция комплекса должна осуществляться под конкретно поставленные задачи.
Таблица 7.
Влияние степени влажности исходного материала и расхода электроэнергии за процесс сушки (мощности ИК излучения), на степень растрескивания риса «падди»
Степень влажности Кол-во Температура Влажность Расход энергии Время сушки Степень растрескивания
(С) Исх. Конечн. кВт/кг (ч)
1 2 30-35 16,5 13,97 0,05 0,45 30+35 39
1 2 35-40 16,5 13,70 0,05 0,30 30+35 42
1 2 40-45 16,5 13,70 0,10 0,30 30+35 45
2 3 30-35 16,5 13,45 0,08 1,30 30+35 34
2 3 35-40 16,5 13,55 0,116 1,15 30+35 40
2 3 40-45 16,5 13,75 0,126 0,45 30+35 41
Результаты контрольных сушек продуктов показали, что только отработкой прототипов сушильных установок, в реальных рабочих режимах эксплуатации, можно достичь качественных эксплуатационных характеристик сушильных комплексов, работа которых складывается из многих взаимосвязанных факторов. Во всех случаях, доработка устройств к конкретным климатическим условиям и специфическим техническим нормам их использования, значительно улучшает весь процесс по сравнению с серийными установками широкого применения. Подтверждением этого, как уже отмечалось, являются отчеты Института Послеуборочных Технологий СРВ, в которых указано, что после коррекции сушилки и керамики, скорость сушки увеличилась в 1,6-3,5 раза у каждого продукта (при различных внешних условиях) при более высоком качестве конечного продукта.
- Потребовалось увеличить мощность нижней группы излучателей на 15-20% при сохранении общей мощности.
- Повысить содержание «импульсной» керамики в составе покрытия с 0,5 до 1%.
Таким образом, в зонах повышенной влажности можно сушить продукты почти с той же скоростью и экономичностью, что и зонах с нормальной относительной влажностью воздуха, подбирая керамику и перераспределяя мощности на сушильных установках.
Вывод. Использование функциональной керамики для сушки продуктов в условиях повышенной влажности, позволяет снизить время сушки в 1,6-3,5 раз. Для достижения положительного эффекта требуется увеличить концентрацию импульсной керамики в муллите с 0,5 до 1%.
Применения функциональной керамики в процессах сушки макаронных изделий
Производство макаронных изделий слагается из многих операций. Основная и наиболее важная
операция - это сушка макаронных изделий. Разные виды изделий сушат при различных температурах. В связи с этим и время сушки будет различным.
Трубчатые размерные (длинные) изделия сушат при невысокой температуре (30-40 градусов Цельсия) в течение 20-24 часов, а иногда даже 36 часов. При температуре 50-55 градусов Цельсия, продолжительность сушки составляет 12-14 часов. (Это режим нормальной сушки).
Короткорезанные - при температуре 50-55 градусов Цельсия, сушат в течение 4-8 часов (без учета времени стабилизации продукта, которое составляет 3-4 часа).
При режимах высокотемпературной сушки 70-85 градусов Цельсия, длинноразмерные изделия сушат 10 часов. Короткие - около 3-6 часов.
Супер-высокотемпературную сушку проводят при 100-130 градусах Цельсия. Длинноразмерные изделия сушатся 4-6 часов. Коротко-резанные - от 1 час 20 минут до 2 часа 40 минут.
Приведенные параметры процессов, соответствуют изменению исходной влажности продукта с 30% до 12,5%. Сушка осуществляется в сушилках различного типа: безкалориферных, конвейерных, камерных и др.
При известных методах сушки, чрезмерно ускоренная сушка приводит к растрескиванию и, соответственно, к увеличению количества лома и крошки. А замедленная сушка (особенно при дополнительном увлажнении камер) - к развитию в макаронных изделиях вредной микрофлоры кислотообразующих бактерий (повышающих кислотность изделий) и Вай. Levans, вызывающих вспучивание макаронных изделий, приводящих изделия в негодность.
Самыми важными задачами при производстве макаронных изделий являются:
- увеличение производительности при снижении энергозатрат;
- улучшение потребительских качеств готового товара (внешний вид, развариваемость);
- повышение пищевой ценности продукта.
Всего этого можно достичь, используя инфракрасный метод на основе функциональной керамики.
Используя подобные элементы, был рассчитан, спроектирован и изготовлен экспериментальный конвейер для сушки макаронной продукции. Испытания проводились на базе цеха по производству макаронных изделий компании «Цесна-Тау» г. Алма-Ата, Казахстан.
Исходные данные конструкции:
- сушилка транспортерного типа с лентой-сеткой шириной 600 мм.
- длина рабочей зоны - 3550 мм.
- рабочая длина элементов - 620 мм. Элементы расположены перпендикулярно движению ленты сверху над продуктом и снизу под сеткой.
- основа элементов - кварцевая трубка диаметром 12 мм.
- общее количество излучателей - 64.
- суммарная габаритная мощность - 9400 Вт.
Излучающие элементы, имели различные электрические параметры, в зависимости от их местоположения в рабочей зоне линии. Рабочая зона была разбита на три участка с различной активностью излучения керамики. В начале линии, формировался большой поток лучевой энергии, где температура продукта во всей массе ускоренно доводилась до заданного режима сушки. Затем продукт попадал в основную зону интенсивной сушки. После чего, в третьей зоне глубинной сушки, с уменьшенной скоростью возгонки, влажность продукта доводилась до минимально возможной при заданных скоростях линии и ее ограниченной длины. Основное назначение экспериментального конвейера, изначально состояло в демонстрации возможностей применения специальной функциональной керамики в процессах сушки макаронных изделий. Сравнение проводилось с итальянским оборудованием цеха. (Технический проект технологического процесса производства макаронных изделий выполнен в организации Z.D.J. Engineering Limited проектировщиком Др. Милан Жежель).
Наилучший вариант традиционного процесса сушки представлен в таблице 8. Сушка проводится в сушилке шкафного типа (по производительности равной экспериментальному конвейеру), имеющей мощность 31000 Вт.
Данные по экспериментальной сушке:
- мука (крупка) из мягкой пшеницы по ГОСТ 20394-87
- исходная влажность теста - 30% (тесто без добавки яиц и обогатителей)
- время нахождения продукта в рабочей зоне конвейера - 7 мин 30 сек
- форма макаронных изделий - лапша (пластина шириной 15-17мм с волнистыми краями и длиной 20-30 мм) и рожки (наружный диаметр около 5 мм, толщина стенок 1.5 мм, длина 20-30 мм). Размеры указаны для сухих изделий.
Пробная работа на экспериментальном конвейере показала, что изделия после сушки были твердо-упругие, на изломе стекловидные, с равномерной структурой по глубине.
Таблица 8.
Конвекционная сушка в сушилке шкафного типа.
Температура
Фазы сушки Время процесса среды (градусы Цельсия) Остаточная влажность изделия %
Предсушка 33.0
1-я часть 10 мин. 65-70 25.0-28.0
2-я часть 50 мин. 72-78 19.5-20.0
Сушка
1 2ч. 30 мин. 70-77 17.0
2 1ч. 40 мин. 55-60 15.0
3 1ч. 30 мин. 50-60 12.5
Всего: 6ч. 40 мин.
Стабилизация 3-4 часа 12.5-13.0
Определяя динамику сушки, измеряли вес контрольных участков. Для этого выполнили три навески по 1000+/-2гр. Транспортерная лента была загружена полностью по всей длине. Контрольные зоны были расположены среди потока продукта. После одного прогона продукта через активную зону за 7 мин 30 сек получили следующие результаты:
Таблица 9.
Результаты (по весу) контрольной сушки.
На входе в зону (грамм) На выходе из зоны (грамм) Потеря веса (грамм)
1000 876 124
1000 886 114
1000 880 120
В среднем остаточный вес после прогона составил 880,76 г, что соответствует 20%-ной остаточной влажности при 30%-ной влажности исходного теста.
На единицу продукции экспериментальным конвейером затрачено в 26 раз меньше энергии по сравнению с традиционным методом. Часть контрольной партии продукта пропустили через активный участок транспортера дважды. Изделия, прошедшие предварительную сушку, разложили на кассетах и оставили на воздухе для досушки и стабилизации продукта.
Таблица 10. Экономические показатели процесса сушки экспериментальным конвейером.
Технология Мощность устройства Время работы Расход энергии
Традиционная 31000 Вт 60,0 минут 31000 Вт/час
Экспериментальная 9400 Вт 7,5 минут 1175 Вт/час
-3 -2
Включение вентиляции Время
По внешнему виду готовые изделия не отличались от изделий, полученных традиционным способом сушки по технологии, представленной в таблице 8. Важным потребительским свойством макаронных изделий является их состояние после варки. Варка производилась согласно ГОСТ 1484989. Результаты варки сведены в таблице 11.
Таблица 11.
Потребительские и качественные свойства сушеных макаронных изделий.
Результат. При сравнении п.1 и п.2 (даже с учетом увеличения времени варки с 12 минут до 16 минут) наглядно видно, что изделие высушенное с применением функциональной керамики не разварилось и не слиплось.
Процессы сушки макаронных изделий с использованием избирательных ИК-преобразователей в значительной степени отличаются от обычных. В процессе сушки необходимо обеспечивать непрерывный отвод пара, выделяющегося из продукта, при помощи продуваемого воздуха. Поскольку пар, выделенный продуктом, препятствует прохождению лучей вглубь структуры и массы самого продукта (керамика настроена на спектр поглощения воды), энергия лучей начнет поглощаться паром. Он перегреется, что приведет к нарушению динамики процесса сушки. Сушка может прекратиться и это приведет к порче самого продукта (продукт начнет вариться на пару). Качественные показатели начнут приближаться к продуктам, высушенным обычными традиционными способами.
Использование закрытых камер с дополнительным увлажнением недопустимо.
Вышеприведённые данные были получены без использования проточно-вытяжной вентиляции, при высокой влажности в помещении цеха.
1 - Сушка при слабой вентиляции помещения.
2, 3 - Сушка при включении общей приточно-вытяжной вентиляции.
Рис. 11. Динамика процесса сушки в замкнутом пространстве.
Из графика характеризующего классические процессы сушки в замкнутом пространстве, видно, что при использовании принудительной вентиляции, можно получить лучшие результаты по динамике сушки.
Шкафная сушка промышленных материалов и продуктов
Использование функциональной керамики в процессах сушки, позволило значительно улучшить качественные показатели при сушке промышленных материалов. На базе компании InfraRot Anlagen GmbH (Германия), проведено большое количество тестовых измерений по динамике сушки различных технических материалов. Это:
- сушка керамических заготовок, для промышленных катализаторов;
- сушка и фиксация литейных форм;
- сушка древесины и древесной стружки;
- сушка фарфора и т.п.
Сушка промышленных катализаторов.
По запросу фирмы SIEMENS о возможности применения ИК сушки на основе синтезированной на БСП (Паркент) функциональной импульсной керамики, специальных заготовок для промышленных катализаторов, проведены сравнительные контрольные сушки. По своему составу, заготовки содержат кроме окисей титана, вольфрама и ванадия - специальные органические связующие составы, поэтому температура заготовки при сушке ограничивается, и не должна превышать 60оС. Сушка по обычной технологии занимает 10 дней (240 часов) и более. При первых же контрольных тестах, на установке «ВОСТОК», это время сократилось до 12 часов. Проверка качества сушки и сохранения структуры органических составов фирмой SIEMENS дала положительные результаты. Была проведена работа по подбору рабочих режимов и самой ке-
№ п.п. Вид изделия Технология Время варки Результаты
1 Лапша Традиционная 12 минут Сильно разварились и слипаются Вода мутная
2 (пластины) Эксперимент 16 минут Почти не слипаются Не разварились, Не слипаются Вода почти прозрачная
3 Эксперимент 15 минут Не разварились,
4 Рожки Традиционная 15 минут Не слипаются Разварилось 30% Слипаются
рамики, оптимальных для сушки катализаторов. Для дальнейших испытаний, был изготовлен специальный сушильный шкаф «МОНСУН».
Шкаф позволяет сушить до 75 больших катализаторов размером 600 мм. Х 70мм. Х 70мм. Габариты рабочей зоны шкафа (640мм. Х 1000мм. Х 1750мм.), разделены на пять полок. Габаритная мощность шкафа 8040 Ватт. Сушка контрольных образцов катализаторов, показала следующие результаты по динамике процесса. Исходная влажность катализатора 27%. Окончательная влажность, около 3%. Температура образцов 50-55оС.
В таблице 13 представлена динамика процесса сушки, при стабилизации температуры образцов на уровне 42-46оС. Исходная влажность катализаторов 27%.
Из таблиц 12 и 13 видно, что сушка катализаторов в этом шкафу с элементами покрытыми функциональной керамикой, специализированном для сушки подобных объектов, оказалась высокоэффективной. Время сушки по сравнению с сушильным шкафом «ВОСТОК», нашего производства, снизилось в 4 раза, с 12 часов до 3-х часов в специальном шкафу. По сравнению с обычными методами сушки используемыми фирмой SIEMENS, время снижается с 240 часов до 3-х часов, т.е. сокращается в 80 раз. Расход электроэнергии в пересчете на один катализатор составляет по стандартному методу сушки 321,6 Ватта за 3 часа работы шкафа. По нашему методу на один катализатор необходимо затрачивать в час 0,1 кВт.час электроэнергии, весь процесс сушки получается экономически недорогим.
Таблица 12.
Таблица 13. Динамика процесса сушки, при стабилизации температуры образцов.
Время сушки (час., мин.) Полки (вес образцов в граммах)
3 4 5
0 135,8 126,1 316,5
1 час 15 мин. 113,9 107,1 270,4
2 часа 110,1 99,4 261,3
2 часа 20 мин. 109,0 98,4 258,3
Потеря влаги (грамм) 26,8 27,7 58,2
% остаточн. влажности 7,2% 5,0% 8,5%
Средний процент остаточной влажности 6,9%
Таким образом, применение сушилок на основе функциональной керамики позволяет повысить суммарную эффективность более, чем в 1000 раз! Что немаловажно, так это то, что время сушки сокращается в 80 раз, Это дает возможность значительно уменьшить габариты установок и используемых площадей.
Сушка древесины.
В этом же шкафу «МОНСУН», были проведены контрольные сушки древесины. В таблице 14 представлен процесс сушки продукта (ПИХТА). Температура помещения 27оС. Сушка без вентиляции. Влага в помещении перед началом процесса сушки 60%. Влага в помещении в конце процесса сушки 80%.
Таблица 14.
Сушка древесины (ПИХТА).
Продукт Пихта Исходный материал (фактически) Готовый продукт (фактически)
Форма Четверть Четверть
Размер мм. 30 х 30 х 800 28 х 28 х 800
Масса средняя гр/шт. 479 285
Влага % (по весу) 45% 0%
Высота среза мм. 30 28
Масса средней решетки кг. 4,792 2,88
Масса общая кг. В том числе вода кг, В том числе сухая масса кг. 4,792 2,1564 2,6356 2,88 0,2444 2,6356
Площадь каждой решетки м2 0,6 0,6
Используемая решетка 1 1
Плотность средняя кг/м2 8,0 4,8
Испаряющаяся вода кг/час. - 0,55
Гомогенность - норма
Поверхность - норма
Форма - норма
Сушка проводилась при прерывистом подводе энергии (ИК): 30 минут активный режим, 30 минут пассивный и т.д.
Динамика сушки образцов катализатора
на 1-й, 2-й и 3-й полке.
Время сушки (час., мин.) Полки (вес образцов в граммах)
1 2 3
0 127,9 130,0 126,3
20 мин. 116,3 116,4 112,0
40 мин. 110,8 110,6 106,1
1 час 106,8 106,6 102,3
1 час 20 мин. 104,5 104,0 99,6
2 часа 101,0 101,0 95,1
2 часа 20 мин. 100,2 100,1 95,0
2 часа 40 мин. 99,3 100,0 95,0
Потеря влаги (грамм) 28,9 30,0 31,3
% остаточн. влажности 4,4% 3,9% 2,3%
Средний процент остаточной влажности 3,5%
Таблица 15. Энергетические параметры процесса сушки.
Время сушки (мин.) Масса решетки (кг.) % влажности
С энергией ИК Без подвода энергии ИК Время работы, мин. Начальная масса 4,792 Начальная влажность 45%
Интервал 1 30 - 30 3,709 29%
Интервал 2 - 30 60 3,581 26%
Интервал 3 30 - 90 3,161 17%
Интервал 4 - 30 120 3,135 16%
Интервал 5 30 - 150 2,901 9%
Интервал 6 - 30 180 2,880 8%
Интервал 7 30 - 210 2,692 2%
Интервал 8 - - 210 2,640 1.5%
Общее время 120 90 210 - -
Сушка прошла за 3 часа 30 минут, из которых активное время работы шкафа составило 2 часа.
Сушка фарфора.
В этом же шкафу был проведен тест по сушке фарфора. Две свежеизготовленные тарелки и чашки, примерно 20% влажности, поместили в сушильный шкаф. Сушка была закончена в пределах первого часа. Остаточная влажность (измеренная по весу) составила около 0-1%. Обычно сушка фарфоровых изделий длится около 24 часов, до влажности около 3%.
Таким образом, использование функциональной керамики для сушки керамических изделий позволяет повысить качество продукции, за счет более глубокой сушки и снизить время сушки в 20-25 раз.
Фиксация и термообработка литейных форм.
На базе компании InfraRot Anlagen GmbH (Германия), совместно с концерном АСТ занимающимся разработкой и изготовлением специальных литей-
В таблице 16, представлен процесс сушки дерева (ЕЛЬ), при начальной влажности 20% и включенной вентиляции 25 куб. м. в час. Брус размером 30мм. х 100 мм. х 900мм.
Сушка проводилась при прерывистом подводе энергии (ИК), при повышенной температуре, 10 минут активный режим и 20 минут пассивный и т.д.
Так же в шкафу «МОНСУН» проведена сушка древесных опилок. Исходная влажность опилок 20%. Окончательная влажность 2-3%. Время сушки, менее 30 минут.
Таблица 16.
ных форм сложной конфигурации, разработано специальное устройство для стабилизации и фиксации литейных форм.
Обычно форма одноразового использования формируется послойно, лазером в специальном устройстве посредством специального термофик-сируемого порошка. Сформированную лазером форму, помещают в большую металлическую толстостенную коробку, аккуратно, слой за слоем, заполняя свободное пространство мелкими кварцевыми шариками. Это необходимо для того, чтобы в процессе выпечки форму не «повело», так как формообразующий состав в начальный момент термообработки имеет повышенную пластичность. Эту коробку помещают в большую электрическую печь мощностью более 50 кВт, доводят температуру до 350 градусов и выдерживают при этой тем-
Сушка древесины (ЕЛЬ)
Режим Время (чин.) Общее Темп. °С Пробный материал (грамм) сумма проба 1 проба 2 Влажность Вода % грамм Сухая масса (гр)
1 стар 0 0 20 2698 1192 1506 20,0% 539,6 2158,4
2 ИК 10 ¡0 55 - - - - - -
3 без энергии 20 30 52 2596 1143 1453 16,9% 437,6 2158,4
4 ИК 10 40 74 - - - - - -
5 без .энергии 20 60 63 2549 1122 1427 15,3% 390,6 2158,4
6 ИК 10 70 so
7 бе}энергии 20 90 70 2512 1105 1407 14,1% 353.6 2158,4
8 ИК ¡0 100 87 -
9 без энергии 20 120 74 2479 1090 1389 12,9% 320,6 2158,4
Шик 10 130 92
11 без энергии 20 150 77 2447 1076 1371 11,8% 288,6 2158,4
12 ИК 10 160 91
13 без энергии 20 180 78 2423 1065 1358 10,9% 264,6 2158,4
14 ЕЖ 10 J90 90 - - - - - -
15 без энергии 20 210 74 2400 1055 1345 10,1% 241,6 2158,4
16 ИК 30 240 102 - - - - - -
17 без энергии 40 280 70 2307 1017 1290 6,4% 148,6 2158,4
18 ЕЖ 30 310 92 - - - - - -
19 без энергии 90 400 35 2260 1000 1260 4,5% 101,6 2158,4
пературе в течение 12-14 часов. Для фиксирующего состава предпочтительно температуру в печи устанавливать на уровне 600-650оС, для полной качественной фиксации состава, но за большое время выдержки в печи, необходимое для выравнивания градиента температуры по объему коробки, происходит обугливание внешних слоев, а внутренние и прилегающие к центру остаются сырыми, так как теплопроводность формообразующего материала очень низкая. На практике, чтобы материал не подвергался деструкции, время выдержки в печи и температуру снижают. Это приводит к существенному росту себестоимости, и изделие получается очень дорогим. Кроме того нет гарантии того, что при засыпке кварцевыми шариками не произошло геометрическое искажение сложной литейной формы.
Нами спроектирована, изготовлена и испытана специальная рабочая камера, в которой весь процесс фиксации формы и её окончательная доводка до кондиционного законченного состояния, составил от 5 до 12 минут, в зависимости от массогаба-ритных параметров литейной формы. Кроме того, изготовлено ручное устройство для быстрого закрепления (фиксации) сырых литейных форм сложной конфигурации, для которых процесс перемещения к печи затруднен из-за повышенной хрупкости сырого, неспеченного материала формы. На конечной стадии термообработки температура образца составляла рекомендуемые 650 градусов. Габаритная мощность установки при этом составила 3 кВт.
В результате время термообработки сократилось в 60 раз. По сравнению с использующимися печами, расход энергии затрачиваемый на весь процесс термообработки сократился с 300-600 кВт.час (различная загрузка) до 0.6 кВт.час. Таким образом, суммарный расход энергии уменьшился в 500-1000 раз.
Применяя различные составы функциональной керамики (изменяя содержание импульсной компоненты), мы добиваемся того, что рабочий лучевой поток имеет такие характеристики, при которых энергия проникает на большую глубину в толщу материала, где равномерно поглощается материалом формирующим литейную форму. При подобном лучевом воздействии и последующей термообработке, происходит быстрая фиксация формы. Участок температур, при которых материал имеет повышенную пластичность, как бы теряется. Нет необходимости использовать засыпку форм
кварцевыми шариками, также как и использования специальных металлических ящиков.
В результате проведенных исследований, весь процесс фиксации и термообработки специальных литейных форм, значительно упростился.
Вывод. Использование функциональной керамики для сушки промышленных катализаторов, сушки и фиксации литейных форм, сушки древесины и древесной стружки, сушки фарфора, сушки фруктовых паст, специальных продуктов и кормов и др., позволяет сократить расход энергии в 20-1000, а время сушки до 80 раз. Кроме того, предлагаемый метод позволяет довести остаточную влажность до такого низкого уровня, который недостижим при использовании традиционных методов.
При сушке литейных форм нет необходимости использовать засыпку форм кварцевыми шариками, так же нет необходимости в использовании специальных металлических ящиков.
Сушка паркета
Разработан метод изготовления высококачественного паркета из нестандартных частей дерева. Это особенно актуально для некоторых регионов. Например, в Узбекистане мало леса, но относительно много фруктовых и декоративных деревьев, которые требуют постоянной обрезки. Метод заключается в следующем.
Берется любое дерево и даже ветви диаметром от 2 см и выше, затем делаются поперечные распилы толщиной 12-15 мм.
Затем эти заготовки помещаются в сушильные устройства на основе функциональной керамики. Как уже было сказано, если обычные сушилки вызывают растрескивание дерева при сушке, то этот метод, наоборот, «залечивает» подобные трещины.
Получаются высушенные заготовки для паркета неправильной формы. Затем, специальной формой выдавливается нужная геометрическая конфигурация. Предварительно рисунок можно составить на компьютере, а затем разбить его на стандартные разнообразные элементы. Уже под эти элементы и изготавливаются конкретные формы. Процесс идет очень легко, так как срезы поперечные.
На следующих фотографиях (рис. 12, 13) приводятся заготовки из различных пород дерева и небольшой фрагмент, собранный уже после их дальнейшей обработки.
ценность изделии, за счет натурального рисунка срезов дерева.
Сушка полиамида
Целью данноИ части работы является разработка метода эффективной и высококачественной сушки пластмасс на примере полиамида.
Проводилась сушка полиамида с использованием импульсных излучателей. Первые эксперименты проводили с ПО «Обуховский Завод», а в дальнейшем и с «Навои-Азот». Приводим полученные результаты (Таблица 17). В таблице 17:
№ 1 - керамика ЗКХМ - на основе оксида железа и оксида хрома с добавками;
№ 2 - керамика на основе муллита с добавлением 0,1% оксида титана и 0,5% керамики на основе хромита лантана;
№ 3 - импульсная керамика на основе хромита лантана.
Таблица 17.
Динамика сушки полиамида
Рис.12. Заготовки для паркета после сушки ИК-методом.
Такой паркет приклеивается к основе столярным клеем, например, ПВА, а затем шлифуется и покрывается паркетным лаком. Что характерно, можно подобрать любой природный рисунок дерева и, таким образом, создавать разные композиции.
Преимущества метода. Одна установка «Узбекистан», которая занимает 0,7 кв.м площади, способна за день высушивать 30-40 кв.м такого паркета. Лес, в прямом смысле, здесь не нужен. Отходов -практически никаких. Пол получается значительно дешевле из-за того, что паркет имеет поперечный срез, а пол стелется вдоль волокон дерева. Такой «сэндвич» дает очень прочную и крепкую структуру. Даже бытовые сушилки, типа «Восток», «Узбекистан», «Астра» и др. вполне могут обеспечить скорость сушки заготовок для такого паркета. Открывается широкая перспектива не только для решения некоторых экологических проблем, но и для людей с художественным вкусом.
Темпера-тура,оС Сушка с ИК-слоем Сушка в сушильной печи
№ ИК-слоя Время, мин. % усушки Время, час. % усушки
120 1 15 25 0,262 0,289 3 0,37
150 1 15 25 0,296 0,446 3 0,417
120 2 15 0,205 3 0,37
150 2 20 25 0,252 0,383 3 0,427
120 3 15 0,254 3 0,379
150 3 20 25 0,345 0,306 3 0,417
Рис. 13. Паркет из дерева различных пород.
Учитывая, что дерево, особенно рисунок его натуральных срезов, украшает не только пол, из такого дерева могут изготавливаться панно, мебель и др.
Вывод. Разработанный метод изготовления высококачественного паркета и др. из нестандартных частей дерева является очень перспективным и позволяет не только сберечь лес (особенно для регионов, где отсутствует стандартная древесина), но также значительно улучшить художественную
Выводы. Как следует из приведенных результатов, применение функциональной керамики при сушке полиамида не только сберегает энергию и сокращает время процесса, но и позволяет значительно уменьшить размеры сушильных установок и повысить качество целевого продукта, так как не идет окисления полиамида и не изменяется его цвет.
Особенности сушки хлопка-сырца с использованием функциональной керамики.
Разработка и внедрение инновационных технологий в различные отрасли производства открывает большие перспективы росту экономики. Необходимо подчеркнуть, что при переработке сельхозпродуктов до настоящего времени используется энергоемкие и дорогостоящие технологии, которые приводят к повышению себестоимости, а зачастую и снижения качества целевых продуктов.
Например, при сушке хлопка-сырца традиционно используется метод конвективной сушки, в котором применяется способ нагревания воздуха с по-
мощью сжигания жидких видов топлива. Существенными недостатками данной технологии является:
1. сжигание дорогостоящего топлива,
2. нарушение экологии,
3. низкий коэффициент полезного действия процесса.
Кроме того, для транспортировки сырья в процессе сушки необходимо использовать также в относительно больших объемах электроэнергию. По традиционной технологии обычно транспортировка хлопка-сырца осуществляется в трубе, где в качестве активного элемента используется шнек. Это не только создает высокое трение между хлопком-сырцом, соприкасающимися деталями и стенками трубы, но и приводит к резкому увеличению потребления электрической энергии для преодоления сопротивления. Также это снижает качество целевого продукта, так как при этом наблюдается смятие, разрыв волокон, повреждение семян и др. Кроме того, трудно достичь низкой влажности конечного продукта, что приводит к развитию бактерий вызывающих резкое снижение качества хлопка-сырца при хранении, а также опасность его возгорания за счет саморазогрева.
Авторами разработана специальная функциональная керамика, использование которой в процессах сушки позволяет значительно повысить эффективность процесса с одновременным сокращением времени сушки, а также обеспечивает высокое качество конечного целевого продукта.
Керамические материалы расчетного состава синтезировали плавлением на Большой Солнечной Печи. Полученную плавленую керамику измельчали в порошок с размерами зерен 1-10 мкм и, используя связывающую добавку, наносили на поверхность кварцевых трубок, внутри которой была помещена нихромовая спираль. Толщина керамического слоя составляла ~20-40 мкм.
Хлопок-сырец и семена помещались на сетчатом поддоне, чтобы излучение ИК-преобразователей могло равномерно освещать целевой продукт с двух сторон.
Результаты проведенных лабораторных исследований ИК-сушки первоначального образца хлопка-сырца (с семенами) влажность которого составляла 12% приведены в нижеследующей таблице 18.
Таблица 18.
Сушка хлопка-сырца с начальной влажностью 12%
Время, мин 1 2 4 6 8 10
Остаточная масса, % 98,2 96,7 95,7 95,1 94,5 93,9
Влажность, % 10,2 8,7 7,7 7,1 6,5 5,9
В таблицах 2-4 и рис. 18-20 и приводятся результаты сушки семян хлопчатника с применением функциональной керамики.
Как следует из приведенных данных, скорость сушки является очень высокой, а качество высушенных семян оказалось выше, чем по традиционной технологии (исследования проводились экспертами ХАБ «Фаргонапахтасаноат».
Также из приведенных данных можно видеть, что скорость сушки хлопка-сырца 5-го сорта несколько выше, чем хлопка-сырца первого сорта. Вероятнее всего это связано с наличием большего числа повреждений, что способствует более быстрому удалению влаги через поврежденные зоны.
Таблица 19.
Сушка семян хлопчатника с начальной влажностью 8,70%
Время, мин 0 2 4 6 8 10 12 14 16
Остаточная масса, % 100 98,2 96,6 95,3 94,2 93,4 92,8 92,6 92,4
Таблица 20 Сушка семян хлопчатника с начальной влажностью 13%, сорт 4
Время, мин 0 2 4 6 8 10 12 14 16
Остаточная масса, % 100 96,7 94,9 93,2 91,8 90,6 89,9 89,5 89,1
О 2 4 6 8 10 12 14 16
Время, мин.
Рис.14. Сушка семян хлопчатника с начальной влажностью 8,70%
Время, мин.
Рис.15. Сушка семян хлопчатника начальная влажность 13%, сорт 4.
юо эе
чО о*
«Г 96
а «
к я
X
I«
е
О 90
нн
0 2 4 6 ( И 12 И
Время, МИН. +1ЩП -т-^
Рис.16. Сушка хлопчатника сорт 1 и 5.
Таблица 21.
Сушка хлопка-сырца сорт 1 и 5
Время 0 2 4 6 8 10 12 14
1 сорт. Остаточная масса, % 100 96,7 95,7 95,1 94,5 93,9 93,6 92,9
5 сорт. Остаточная масса, % 100 97,1 95,1 94,5 93,2 92,6 91,4 91,1
На рис.16 и таблице 21 приводятся данные по сушке хлопка-сырца 1 и 5 сортов.
Как следует из приведенных данных, достаточно 1-2 минут для получения оптимальной влажности хлопка-сырца для дальнейшей переработки.
В таблице 22 приведены расчеты экономических показателей традиционной и ИК сушки одной тонны хлопка-сырца при уменьшении влажности на 1-3%.
Таблица 22.
Расчеты экономических показателей традиционной
и ИК сушки одной тонны хлопка-сырца при уменьшении влажности на 1-3%
Способ сушки Расход жидкого топлива, кг Стоимость, сум Расход электроэнергии, кВТ Стоимость, сум Всего, сум
Традиционная 14,3 7507,5 39,7 2544 10051,5
ИК-излучение - - 16,7 1068,8 1068,8
Представленные данные показывают, что при сушке с использование функциональной керамики
суммарные затраты снижаются в 9,4 раза, чем при традиционном способе.
Следует подчеркнуть, что в этом случае не только не требуется сжигания жидкого топлива, но и затраты электроэнергии значительно снижаются (более, чем в 2,3 раза), по сравнению с традиционной сушкой.
Кроме того:
1. Средняя урожайность повысилась на 1,5 ц/га;
2. Вегетативный период до плодоношения сократился на 12-17 дней;
3. Нет необходимости обрабатывать семена дорогостоящими и токсичными препаратами для защиты от различных патогенных факторов;
4. Если при обильных осадках семена сгнивают в почве, то высушенные предлагаемым способом семена ускоряли рост во много раз и ни одно растение не погибло при тех же условиях;
5. Качество получаемого конечного продукта смещается по шкале сортности на одну единицу выше, из-за того, что не идет обрыва и повреждения волокон, как это происходит при использовании традиционного метода;
6. Обеспечивается глубокая стерильность продукта.
В настоящее время на хлопкоочистительных заводах Республики Узбекистан установлены по две волокноотделительных машин марки ДП-130 или ДПЗ-180, сменная производительность которых, в зависимости от сорта хлопка сырца составляет 7090 тонны. Расчеты показали (таблица 5), что для уменьшения влажности хлопка-сырца на 1-3 % скорость движения транспортерной ленты должно быть примерно 2 м/мин. Для обеспечения бесперебойной работы батареи джинов ширина ленточного транспортера должна быть не менее 100 см, длина конвейера 10-12 м.
При необходимости, в зависимости от уровня влажности хлопка-сырца, можно изменить интенсивность ИК-излучения, длину/ширину или скорость транспортерной ленты.
Исходя из приведенных результатов, можно заключить, что на сегодняшний день, предложенный метод сушки семян хлопчатника является одним из наилучших и экономичных. Отличительной особенностью предлагаемого метода сушки является то, что если для конвективной сушки требуется тепловой агент - это или горячий воздух, или пар. Более 80-90% тепловой энергии может при этом уносится тепловым агентомв в окружающую среду.
В случае использования ИК-излучателей на основе функциональной керамики, не требуется никакого теплового агента. Излучение непосредственно попадает на продукт и поглощается содержащимися в нем молекулами воды. Эффективность использования энергии возрастает многократно.
С учетом всего сказанного были разработаны специальные керамические материалы и технология их получения по трехимпульсному методу [3], которые преобразуют непрерывное излучение первичного источника в импульсное излучение дальнего инфракрасного диапазона, так как в этом диапазоне вода интенсивно поглощает энергию излучения.
Для расчета высокоэкономичной и оптимальной конструкции проектируемого устройства с использованием функциональной керамики необходимо исходить из следующих исходных данных:
1. Запланированной производительности комплекса;
2. Объема закладки продукта на единицу площади (при различных стадиях сушки), которая в свою очередь зависит от геометрической формы;
3. Конкретных условий установки оборудования, которые в значительной степени влияют на газодинамику комплекса;
4. Оптимального расположения излучателей;
5. Выбора мощности излучателей внутри устройства;
6. Возможность автоматической регулировки мощности в зависимости от стадии процесса сушки;
7. Разработки керамических материалов с оптимальными возможностями генерации импульсов ИК;
8. Оптимизации системы газодинамики для отвода выделяющегося пара.
Исходя из приведенных результатов, можно заключить, что на сегодняшний день, предложенный метод сушки является одним из наилучших, простых и экономичных.
Для того, чтобы разобраться в механизме свето-импульсной стимуляции семян, рассмотрим за счет каких процессов идет их развитие.
В качестве примера возьмем семена хлопчатника, хотя все сказанное также может быть отнесено к семенам любых культур.
Известно, что семена хлопчатника содержат значительное количество запасного жира - 40-45%, запасного белка - 40-42%, клетчатку, микроэлементы, активные вещества - остальное. Для других растений соотношение между запасным жиром, белком и клетчаткой является другим, но это не имеет значения для понимания и оптимизации светоимпульсной стимуляции.
Прорастание семян начинается в тот момент, когда под действием благоприятных внешних условий соответствующие ферменты расщепляют запасной жир, запасной белок и углеводы. При этом образуются продукты распада, которые можно рассматривать как «кирпичики» из которых по коду ДНК формируется растение.
Исходя из сказанного, можно сделать вывод, что чем быстрее будут расщепляться запасные вещества, тем больше образуется продуктов, необходимых для роста и формирования растений и, следовательно (по закону действия масс), тем быстрее будет идти развитие растения.
Запасной жир расщепляется ферментами липазами, запасной белок - протеазами, а углеводы -амилазами.
Учитывая, что хлопчатник является масличной культурой, то справедливо предположить, что уровень липазной активности является объективным критерием стимуляции развития растения и может служить меткой эффективности воздействия различных факторов, как стимулирующих, так и угнетающих развитие в начальный период вегетации. В дальнейшем, когда растение уже взойдет, его развитие будет происходить за счет фотосинтеза.
Типичный ход кривой индукции липазной активности от времени проращивания необлученных и облученных импульсным концентрированным светом (ИКС) ксеноновой лампы семян хлопчатника приведен на рис.17. Как можно заметить из приведенных данных, в покоящихся семенах уровень липазной активности является не очень высоким. При проращивании семян на свету липазная активность вначале уменьшается (первый день прорастания), а затем быстро растет, достигая максимального значения на 4-5 день. При проращивании тех же семян в темноте липазная активность достигает своего максимального значения уже на 3-4 день, а максимум имеет более высокое значение. Независимо от условий проращивания (на свету или в темноте) предпосевная обработка семян хлопчатника импульсным концентрированным светом повышает значение максимума ли-пазной активности. При этом существенно сокращается время Тм, необходимое для достижения максимального значения. Высокий уровень ли-пазной активности означает увеличение интенсивности гидролиза запасных липидов семян, а, следовательно, и интенсивности их энергоснабжения. Выигрыш во времени для обеспечения максимальной липазной активности облученных семян при дальнейшем развитии растения приводит к
более раннему наступлению фаз онтогенеза, а как следствие этого возможность получения более раннего урожая. В таблице 23 представлены данные по сопоставлению максимального уровня ли-пазной активности (Амах), Тм и дозы облучения с такими основными показателями, как всхожесть и урожайность хлопчатника.
ДНИ ПРОРАСТАНИЯ
Рис. 17. Зависимость липазной активности от времени
проращивания семян: I - контроль на свету, 2 - контроль в темноте, 3,4 - семена облучались ИКС: 3 - проращивание на свету, 4 -
проращивание в темноте Из представленных данных следует, что между динамикой изменения липазной активности и такими показателями, как всхожесть и урожайность растений существует строгая корреляция: чем выше значение максимума липазной активности и чем ниже величина Тм, тем лучше всхожесть и выше урожайность.
Таким образом, максимально достигаемое при проращивании семян хлопчатника значение ли-пазной активности Амах и время, необходимое для его достижения (Тм) являются характеристическими параметрами и отражают в определенной мере эффективность оказываемых воздействий.
Таблица 23.
Зависимость урожайности, всхожести, а также величин Амах и Тм от длительности предпосевного облучения семян хлопчатника.
Облучение ИКС (мин) Доза облучения (кал/см2) Всхожесть (%) Урожайность (%) Амах Тм (сутки)
Контроль 0,0 72,5 100,0 25±1,0 4,5±0,18
5 17,5 95,0 115,5 38±1,5 3,2±0,13
7 24,5 96,6 119,4 44±1,8 3,0±0,12
9 31,3 86,3 106,8 33±1,3 3,6±0,14
В покоящихся семенах липолитические ферменты находятся в сгруппированном виде - по 4фермента активными центрами внутрь. В этом случае, контакт запасного жира с активным центром фермента затруднен или даже невозможен и процесс расщепления не происходит. При активации семян за счет благоприятных условий, происходит распад липолитического комплекса на 4 фермента. В этом случае, активный центр их досту-
пен для запасного жира и происходит его расщепление с образованием необходимых компонентов для роста и развития растения. То же самое происходит и с протеазами и белками, а также с амилазами и углеводами. Очевидно, что для бобовых более точную информацию о степени стимуляции роста и прорастания можно получить по активности протеаз, расщепляющих белки, а семян, с содержанием большого количества углеводов, например, пшеницы, ячменя и т.д., - амилазы.
Теперь в семенах имеется все необходимые компоненты в активной форме для роста и развития растения.
В любых видах семян имеется фитохром, который активно управляет активностью ферментов и, соответственно, ростом и развитием растений.
Фитохром
Первая информация о неравноценности различных участков спектра длинноволновой области для растений получена в 1935-1936 г.г. на примере прорастания семян салата в области 525-700 нм, с максимумом 660 нм и ингибирования освещением 700-820 нм, с максимумом 710-750 нм. Однако обнаружение подобного действия качества на ростовые эффекты у незеленых растений показывают, что система специфична не только для зеленых листьев. Было предположено, что во всех этих процессах участвует другой пигмент, с отличным от хлорофилла спектром действия, который при действии света с длиной волны 660 нм образует какое-то другое соединение - фитохром - с максимумом поглощения 730 нм, индуцирующее морфогенети-ческие реакции. Поглощение этим соединением света с длиной волны 730 нм переводит его в неактивную форму с максимумом поглощения 660 нм.
Последовательное выделение и очистка этого пигментаиз тканей растений позволила начать изучение его свойств. Установлено, что фитохром является хромопротеидом, состоящим из белковой части и хромофора.
Белковая часть может существовать в мономерной или полимерной формах.
Вполне вероятно, что сдвиг полосы поглощения фитохрома от 660 нм к 730 нм при освещении светом 660 нм частично обусловлен сопряженными конформационными превращениями молекулы белка, под действием света, поглощенного хромофорной группой [9]. Изменения конформации белковой части могут иметь большое значение в объяснении механизма действия фитохрома. Было показано, что под действием 730 нм белок пере-
ходит из состояния клубок в спираль, тогда как 660 нм переводят его состояние спираль в клубок.
В дальнейшем фитохром был выделен из растений в хорошо очищенном виде и были изучены его химические свойства. Установлено, что фитохром является хромопротеидом и имеет молекулярную массу 240000 Дальтон. Его белковая часть состоит из двух субъединиц и не содержит сульфидных мостиков. К белку присоединен билитриеновый хромофор - замкнутый или разомкнутый тетрапи-рольный цикл, ковалентной связью. Фитохром, выделенный из растений, может существовать в двух формах - Ф730 и Ф660, которые различаются по спектрам поглощения. Эти формы способны к фотохимической конверсии. По гипотезе о цис-транс-изомеризации хромофора, которая состоит в постепенном переходе разомкнутого тетрапи-рольного цикла в замкнутый, происходит взаимопревращение Ф730 и Ф660. При освещении семян, появляется форма Ф730 (при хранении семян в темноте имеется только неактивная форма Ф660) и устанавливается определенное динамическое равновесие, а соотношение Ф730/Ф660 определяется спектральным составом света. На свету происходит не только конверсия форм фитохрома, но и необратимое разрушение активной формы. Максимум фоторазрушения приходится на длину волны 660 нм, а минимум - на 730 нм.
Квантовый выход реакции Ф660 в Ф730 близок к единице, тогда как обратной реакции - он несколько ниже 0,3.
Таким образом, фитохром имеет два конформа-ционных состояния - активное, когда он стимулирует активность ферментов и как следствие, поставку необходимых для роста растений соединений и неактивное, когда он переводит ферменты в
неактивное состояние. Он может переходить из одного состояния в другое под воздействием света с длиной волны 660 нанометров (активное состояние) и 730 нанометров (пассивное состояние).
В случае масличных, в частности хлопчатника, фитохром, переходя в активное состояние позволяет с высокой скоростью расщепить комплекс из 4 липаз с блокированными активными центрами и, таким образом, запускает механизм роста и развития растения. Схематически это показано на рисунке 18.
b d a d
Рис.18. Схема конформационных переходов фитохрома и активации липазы.
Исходя из сказанного следует, что механизм стимуляции развития семян в случае использования гелий-неоновых лазеров (633 нанометра) или импульсного концентрированного света (ксеноновых ламп, солнечного) является фитохромным.
Однако, как уже было сказано, под избыточным воздействием света с длиной волны 660 нанометров фитохром расщепляется и развитие растения вместо стимулирования, ингибируется (Таблица 1). То, что прорастание семян в темноте идет быстрее, чем на свету, связано с тем, что под действием белого света происходит необратимый распад фитохрома, результатом которого является невозможность в должной степени активировать ферменты.
Изложенные выше процессы могут быть описаны математическими моделями.
а). Облучение светом с длиной волны 660 нм (для лазера 632,8). В общем виде процесс может быть представлен как
Ф660 ^ Ф730 ^ Ф730х, где
Ф660 - неактивная форма фнтохрома, Ф730- активная форма фитохрома, Ф730* - разложившаяся под действием света 660 нм часть Ф730, к1 - константа скорости перехода Ф660 в Ф730, к2 - константа скорости разложения фитохрома Ф730. Если в начальный момент времени имеется концентрация «а» Ф660 а к моменту времени 1 его осталось «а-в» и соответственно появилось «в-с» Ф730*. Тогда
^ = кг(а — Ь) - дифференциальное уравнение скорости мономолекулярной необратимой реакции. После интегрирования получим (I)
а-Ь = а-к1 (2)
Скорость превращения Ф730 = кг(а — Ь) — к2(Ь — с) или (3)
А(Ь-с) , „ . .. ——— = кгае Ки — к2(Ь — с), или (4)
+ к2(Ь — с) = к!ае-к^1 Обозначим «в-с» = х, тогда (5)
Ах , , г_ — + к2Х = кгае 1 Приравняв левую часть к нулю, получаем (6)
— + к7х = 0, или аь 2 (7)
^ = — к^х После интегрирования имеем (8)
1пх = —к,2Ь + 1пА, или (9)
х = Ае-кгЬ, где А - постоянная интегрирования. (10)
Так как в уравнении (6) в правой части стоит не нуль, а функция 1, то величину А необходимо рассматривать как функцию 1. Дифференцируя (10)
по 1, получим
— = —к^Ае-*2* + е-*2* — Подставим (10) и (II) в (6), получим АЬ АЬ (11)
—к2Ае—к2Ь + е-к2Ь — + к2Ае~к2 = клае~к1Ь, или (12)
&А к^ае кх — =-г——, или (13)
йА = кгае ^к2—интегрируя, получаем (14)
А =-£^-ае(к2-к1)ь + В Подставляя (15) в (10), получим (15)
х = ^^ае(к2—к1)2е—к22 + Ве~к^, или к2-кх (16)
х = кг ае-к1Ь + Ве~к2Ь Учитывая, что при 1=0 х=0, имеем (17)
В =--—а Подставляя (18) в (17) и возвращаясь к прежним обозначениям, находим к2-к-1 (18)
Ь—с = аУ^е-^ —-¡^е-к2'}, Или (19)
Ь — с = а кг (е—к1Ь — ек2) Подставляя в (20) "в" из (2), получим к2—к-1 (20)
с = а(1 — е-к11) — а-^-(е—к11 — е—к21), или к2—к-1 (21)
с = а(1 — к 2к е-к±1 + ^ ^ е—к21 Время 1 мах, в течение которого получается наибольшее количество фатохрома Ф730, найдем из условия экстремума (22)
с1(Ь с) = 0 Дифференцируя (20), найдем А С (23)
А(Ь —с) кл . ь * и к « —оь— = —~ 16 + ^2е ) Приравняв производную к нулю, найдем (24)
кге = к2е~к2тах Откуда (25)
1пк1 —1пк2 1тах = кг—к1 Обозначим (26)
к2 т— = г Тогда К1 (27)
£тах = г — Подставляя в (20), получим (28)
# г1пг 1пг ф — с)тах =1—^ (1 — г—1 — е — Т-1 (29)
Следовательно, наибольшее количество Ф730 зависит не от абсолютных значений скоростей обеих реакций, а только от их соотношения. Чем
больше соотношение к2/к1 , тем выше лежит максимум концентрации Ф730 и тем ближе он оказывается к началу реакции.
б). Облучение белым светом. В этом случае процесс может быть представлен в следующем виде В начальный момент (1=0) концентрация Ф660 составляет «а», концентрация Ф730 - «в»* Скорости превращения Ф660 и Ф730 и скорость образования Ф730* можно записать в следующем виде
й (а — х) = к1(а х) к2(Ьь у) (30)
а (ьь — у) = к1(а х) (к2 + к3)(Ь у) (31)
йу Л = кз(Ь^ — У) (32)
Решение уравнений (30)-(32) относительно концентраций Ф660 и Ф730 для момента времени t дает следующие результаты:
(33)
(Ь1 —у)=--V {е~к122 — ек^0 , где Л1— ¿2 (34)
=1 {-£+к+[(-+ь+ (35)
^2 = 1^1+ ^ + ^ — [{1+ + 1г)2 — ^Г} Дифференцируя (34), найдем (36)
= а (к1Л2е— к1^21 — /^А^^^Приравняв производную к нулю, найдем, что АЬ А1—Л2 (37)
Х2ек1^21тах = Х1ек1^11тах Откуда начнем время 1 мах, при котором получается максимальное количество Ф730 (38)
1пХ2 — к 1^2 ьтах = 1п^1 + к^^тах (39)
1п^2— 1пЛ1 _ ^тах = ь »о. Подставляя в (32) получим к1(Л2 +Л1) (40)
П ( ^2(1пХ2— 1ПА1) Л1(1пА2 —1пЛ1)\ (Ь( У) тах = ( е Я2 Х1 е Л2 11 ) (41)
Таким образом, мы рассмотрели математические модели, возможного фитохромного механизма светоимпульсной стимуляции. Следует принимать во внимание, что при избыточном воздействии происходит необратимое разрушение Ф730 на свету (как уже указывалось, максимум фоторазрушения приходится на 660 нм).
Для того, чтобы получить максимальный эффект стимуляции без разрушения активной формы фи-тохрома, была разработана функциональная керамика, генерирующая импульсы ИК с крутым фронтом нарастания импульса.
Следует сказать, что независимо от длины волны используемого излучения при импульсном воздействии, решающую роль играет фронт нарастания импульса. Высокая скорость нарастания импульса соответствует излучению с высокой квантовой энергией. В частности, функциональная керамика, генерирующая импульсное излучение в диапазоне 16 микрон, вырабатывает озон, синтез которого стимулируется только ультрафиолетовым излучением.
Таким образом, изменяя наклон фронта нарастания импульса, генерируемого функциональной керамикой, можно достичь эффективного перехода фитохрома в активную форму.
В результате проведенных исследований установлено, что воздействие такого импульсного излучения переводит фитохром в активную форму, но ее спектральной энергии недостаточно для его разрушения.
Таким образом, удалось получить эффект максимальной стимуляции роста и развития семян хлопчатника без необходимости выбора оптимального времени, интенсивности и частоты модуляции излучения.
Традиционные методы светоимпульсной стимуляции - концентрированный солнечный свет, гелий-неоновый лазер, ксеноновые лампы и др., требуют очень точного выбора основных параметров - длины волны, интенсивности, времени экспозиции, частоты модуляции и т.д. Выход за оптимальные пределы не только не приводит к ожидаемому эффекту, но может полностью подавить рост и развитие растений. Это же относится и к химическим стимуляторам роста - янтарная кислота, изомасляная кислота и т.д.
В предлагаемом же методе, несущая энергия слишком низка для разрушения фитохрома, но фронт нарастания импульса в состоянии перевести весь фитохром в активную форму.
Следует также сказать и об обратном эффекте. Если полностью подавить активность ферментов, например, за счет перевода всего объема фито-хрома в пассивное состояние, то можно сохранить полностью запасные питательные вещества при хранении. В частности, при хранении семян хлопчатника теряется до 15% масла в течение года. Обработка импульсами ИК с фронтом нарастания соответствующего 730-750 нм, позволяет решить эту проблему.
Также следует подчеркнуть, что предложенный метод сушки с одновременной стимуляцией роста и развития семян, может быть применен, практически, для любых культур, - зерновых, овощных, бобовых, кукурузы, бахчевых, солода и т.д. Это не только дает весомую прибавку урожая, но и защищает от многих специфических заболеваний, что позволяет отказаться от многих токсичных препаратов.
К вопросу о стерилизации при сушке с использованием функциональной импульсной керамики
Принцип низкотемпературной стерилизации целевых продуктов с использованием функциональной керамики, генерирующей парные импульсы (рис.19), основан на следующем.
10 64 104 145
Длительность, мкс Рис. 19. Временные характеристики импульсного излучения, для низкотемпературной стерилизации, генерируемого функциональной керамикой. Любой организм, будь то бактерия, грибок, вирус и т.д. размножается, копируя ДНК или РНК. Копирование включает процесс синтеза. Этот синтез осуществляется определенным ферментом. В момент копирования идет рост цепи ДНК или РНК. Этот процесс идет через образование фермент-субстратного комплекса, который представляет из себя все удлиняющийся радикал (обозначим его R•). Импульсная керамика образует из липидов или супероксидов вспомогательные радикалы (обозначим их как Р^), которые рекомбинируются вторым импульсом, превращая их в устойчивые молекулы неспособные к дальнейшему росту.
R• + Rh• ^ R•- ^
Таким образом, вся инфекция полностью погибает. Информация о механизмах генерации импульсного излучения функциональной керамикой будет представлена в следующих публикациях.
На основе представленных материалов была разработана опытно-промышленная установка для сушки различных культур - хлопка, зерновых и др., - с одновременной стимуляцией и стерилизацией от различных патогенных организмов. Производительность установки составляла 10 Тонн в час, потребляемая мощность 80 кВт, длина 7,5 метра, ширина 1,2 метра, высота 2,5 метра, масса 2700 кг.
Было высушено более 25000 Тонн. В течение 3 лет проводилась высадка семян высушенного таким образом хлопка-сырца на площади 2,5 Га.
Выводы:
1. Применение функциональной керамики в устройствах сушки хлопка позволило:
2. Снизить расход электроэнергии более, чем в 2,3 раза
3. Исключить сжигание жидкого топлива
4. Снизить суммарные расходы в 9,4 раза
5. Стимулировать рост и развитие семян хлопчатника за счет активации фитохрома. Благодаря быстрому развитию и стерилизации стимулированных семян не потребовалось обработки хлопчатника ядохимикатами весь вегетационный период.
6. Средняя прибавка урожая составила 1,5 ц/га, время вегетации в среднем сократилось на 5 дней.
7. Значительно упростить технологию
8. Повысить надежность оборудования и значительно снизить его материалоемкость.
9. Обеспечить экономичную сушку с минимальным содержанием влаги для предотвращения развития микроорганизмов и самовозгорания хлопка-сырца при хранении.
10. Провести одновременную глубокую стерилизацию конечного продукта в процессе сушки
Радиационная сушка с использованием кера-мико-содержащей полимерной пленки
Несмотря на многочисленность и разнообразие гелиотехнических установок, предложенных для применения, осуществлено промышленное производство только солнечно-теплоэнергетических и полупроводниковых фотопреобразователей. В связи с высокой стоимостью, масштабы их производства и сферы применения остаются ограниченными. Поэтому поиск и разработка эффективных, де-
шевых и приемлемых для широкого круга потребителей низкопотенциальных солнечных установок относятся к актуальным задачам гелиотехники.
В настоящем разделе указаны перспективы использования высокоэффективных преобразователей солнечной энергии на основе функциональной керамики в ИК-импульсы, отличающихся высокими эксплутационными параметрами, а также возможностью создания простых конструкций с высокими техническими характеристиками.
В течение двух десятилетий нам удалось разработать технологии получения функциональной керамики, преобразующей первичную энергию в импульсное ИК излучение и их широкое использование в физиотерапии, процессах сушки, стерилизации и др.
Дело в том, что в результате термо- или термохимической обработке керамики, в поверхностном слое его кристаллических зерен могут образоваться п-п или р-р барьеры, из-за различия природы и концентрации примесей в обилие содержащихся в материалах технической чистоты.
Отметим, что керамические материалы широкозонные диэлектрики и при температурах до 300-400оС концентрация собственных носителей тока не играет существенной роли в электронных процессах.
При повышении температуры теплогенериро-ванные электроны примесных атомов пересекают барьер, накапливаются в поверхностном слое, создают электрические поля и снижают высоту барьера. Можно предполагать, что для данного керамического зерна существует пороговая температура Тп, выше которой высота барьера станет несущественной, а напряженность электрического поля достигает такого значения, что состояние накопленных в поверхностном слое электронов окажется неустойчивым. Тогда происходит обратный переход электронов в объем зерна, где они будут избыточными и их рекомбинация с ионами примеси обуславливает импульсное ИК излучение. Так как скорость электронов в керамике ~10 см/сек, которая на два порядка больше, чем скорость переноса тепла. Скорость переноса тепла, примерно, равно скорости звука в керамике (~ 105 см/сек), определяющей скорости генерации и накопления свободных электронов. Именно этим обстоятельством можно объяснить конечную частоту следования импульсов при повышении мощности - она составляет, примерно,^ 430 импульса в секунду.
Таким образом, за счет тепла, поглощенного керамикой, энергия первичного источника излучения преобразуется в импульсы определенного спектрального диапазона, которые уже могут проникать в целевые объекты на глубину большую, примерно, пропорционально интенсивности импульса. Это позволяет существенно ускорить самую медленную стадию процесса сушки - диффузию воды из внутренних слоев, которой фактически и определяется суммарная скорость сушки. В этом случае имеется возможность увеличить толщину слоя и, как следствие, повысить качество получаемой продукции, так как не происходит перегрева из-за интенсивного испарения влаги, доставляемой к поверхности; существенно снизить энергозатраты и время экспозиции.
Рис.20. Схема сравнительного испытания сушки с использованием полиэтиленовой пленки с 1% содержанием активной керамики и обычной полиэтиленовой
пленки (2); 3-излучатели с отражателем, 4-высушиваемый продукт на сетке. На схеме не показана эжекторная система пароотвода.
Разработана специальная полимерная пленка толщиной 0,1 мм, содержащая 1% ультрадисперсного порошка импульсной керамики. Были проведены сравнительные испытания по применению этой пленки для радиационной сушки моркови. В качестве контроля использовалась точно такая же пленка без содержания керамики. Сама исходная пленка способна преобразовывать УФ-излучение в видимый свет. Кроме того, она имеет гарантированную долговечность работы под солнцем не менее 5 лет.
Для получения воспроизводимых результатов и устранения различных дестабилизирующих факторов при использовании солнечного излучения, в качестве имитатора использовались галогеновые лампы мощностью 500 Вт, заключенные в отражатель, обеспечивающий равномерное поле освещенности в рабочей зоне устройства (рис. 20). Плотность энергии составляла около 1000 Вт/м2. Результаты испытаний приводятся на рисунке 21.
0 12 3
Время сушки, час
Рис. 21. Остаточная масса моркови от времени сушки при использовании обычной пленки (1) и пленки с функциональной керамикой (2).
Как следует из приведенных данных, скорость сушки с применением керамики в полимерном материале возросла на 30-35%. Учитывая, что в предложенном нами механизме энергия первичного источника вначале превращается в тепло, а затем преобразуется в импульсы ИК, можно предположить, что в процессе преобразования энергии радиации в тепловое излучение, каждый фотон с энергией 1,5-2 эВ, теоретически может создать 5-6 фотонов с энергией 0,15 эВ, которые поглощаются водой и обеспечивают ее испарение. Характерно, что применение функциональной керамики позволяет доводить до глубокой степени обезвоживания без потери качества продукта.
Был проведен также следующий эксперимент, позволяющий оценить роль керамики в данном процессе. Вместо высушиваемого продукта помещалась черная бумага, а под ней - термопары. Как следует из рис.22, температура от времени экспозиции в обеих вариантах изменяется, практически одинаково, однако, скорость сушки продукта значительно выше в случае применения композита. Кроме того, визуальные наблюдения показывают, что сушка продукта в этом случае идет равномерно по объему, в то время как применение обычной пленки дает преимущественную поверхностную сушку.
Таким образом, проникновение преобразованного керамикой излучения в продукт идет на большую глубину и способствует ускорению диффузии воды из продукта, что дает возможность провести качественную и эффективную сушку целевых продуктов.
10
О -I-I-I-т-г-1-1-1-г-1-1-1-1-1-
0 1 ; 3 4 5 6 7 6 9 10 11 11 13 14 15 20 мин
Рис.22. Динамика изменения температуры с использованием керамико-пленочного композита (I) и чистой пленки (II).
Эффективность передачи энергии пленочно-керамического фото-тепло-фотонного преобразователя на основе оксида железа
Приготовлен порошок функциональной керамики плавлением в солнечной печи (Большая Солнечная Печь, Паркент) с размером зерен ~1 мкм на основе оксидов железа, хрома, кальция, магния и меди. Изготовлены фото-тепло-фотонные преобразователи на основе полиэтиленовой пленки толщиной 100 мкм и функциональной керамики. Показано, что использование полимер-керамического фото-тепло-фотонного преобразователя существенно повышает процесс передачи энергии.
Одним из перспективных направлений разработки нового поколения высокоэффективных низкопотенциальных гелиотехнических установок является поиск и использование менее материалоем-ких, дешевых композитных пленочных энергопре-образующих материалов. В предыдущем разделе приводились результаты по получению и использованию полимерной пленки толщиной 100 мкм и содержащей 1 вес% микронного дисперсного керамического порошка на основе оксидов, содержащих редкоземельные элементы (РЗЭ), для ускорения сушки и повышения качества целевых продуктов.
В данном разделе представлены результаты по изготовлению керамики, не содержащей РЗЭ с целью удешевления и доступности исходного сырья. На ее основе изготовлены полиэтилен-керамические фото-тепло-фотонные преобразователи и исследована их эффективность в процессах передачи энергии.
Для синтеза керамики готовили шихту следующего состава (в вес %):
Оксид железа-оксид хрома Fe2O3-Cr2O3-эквимолярно 96%
Оксид кал ьция СаО 2,5%
Оксид меди СиО 1.0%
Оксид магния 0,5%
Для исключения загрязнения целевых материалов, шихту перемешивали в планетарной мельнице в ёмкостях из полиимида. В качестве размалывающих элементов использовали тефлоновые шары. Состав просушивали при температуре до 135оС. Отжигали при температуре 1100оС в течении 12 часов, прессовали брикеты размером 200х100х25 (мм), вновь отжигали при температуре 1300оС в течении 4 часов, затем плавили в солнечной печи. Расплав охлаждали, измельчали и прессовали в образцы с размерами 50х50х15 мм. Образцы спекали при температуре 1300оС в течении 12 ч. Полученные таким образом образцы выдерживали в течении 20 ч при температуре 1100оС. Затем измельчали в планетарных мельницах в водной среде с шарами из целевого материала в течении 2 суток. Полученный таким образом материал высушивали при температуре ~ 140оС до постоянной массы.
Полученный порошок вводили в количестве 0,5% (масс) в полиэтилен, композит тщательно перемешивался, пропускали через экструдер до получения пленки толщиной 100 мкм. Для получения однородного распределения керамики в пленке операцию экструдирования повторяли несколько раз.
В результате был получен пленочно-керамический композит с содержанием керамики 0,5% (масс.).
Установка для определения эффективности передачи энергии представляет собой термоизолированный ящик. Для получения более достоверных результатов, размеры установки были увеличены до 700Х800х400 мм, который разделен термоизоляционной стенкой так, что получатся две идентичные камеры с размерами 700Х400х400 мм. Одна из камер покрыта полиэтиленовой пленкой (контроль), а вторая - композитной пленкой. Дно камеры покрыто черной бумагой. Датчики температуры в каждой из камер расположены над черной бумагой и прикрыты экранами, защищающими их от прямого воздействия излучения. Источником первичного излучения является Солнце. Измерения проводили при различных температурах окружающей среды. Полученные результаты приводятся в таблицах 24-27.
Таблица 24
T воздуха (С) Время (мин) T1 (C) T2 (C) ЛТ=Т2-Т1
10, ясно 5 18 19 1,0
10 19 20 1,0
15 20 21 1,0
20 22 23 1,0
25 23 25 2,0
30 23 25 2,0
35 24 26 2,0
40 24 26 2,0
60 24 26 2,0
Таблица 25
T воздуха (С) T воздуха (С) T 1 T 2 ДТ=Т2-Т1
22, облачно 5 22,5 23 0,5
10 23 24 1,0
15 23 24,5 1,5
25 23,5 26 2,5
35 24 27 3,0
45 24 27,5 3,5
60 24,5 28,5 4,0
90 24,5 29 4,5
Таблица 26
T воздуха (С) время T 1 T 2 ДТ=Т2-Т1
25, ясно 5 26 28 2,0
10 28 31 3,0
15 29 32 3,0
25 30 33 3,0
35 31 34 3,0
45 31 35 4,0
60 32 36 4,0
90 32 37 5,0
Таблица 27
T воздуха (С) T воздуха (С) T 1 T 2 ДТ=Т2-Т1
20, дождь 5 20 20,5 0,5
10 21 22 1,0
15 21 23 2,0
25 21,5 24 2,5
35 21,5 24,5 3,0
45 22 25 3,0
60 22 25 3,0
90 22 26 4,0
АТ<9
43
i.O
г J 3.0 3,0 3 0 -■"J5 ал /
1.0 •у J.5 3.0 э.о и
2.0 1.0 1 и У, />(s / /2.0 2.0 г.о * 1
Ъ ■.о 1.0
1 2 } 4 Б 1 Г 1 Sun
Рис.23. Изменение разницы температур в камерах с обычной полиэтиленовой пленкой и композитной пленкой на основе полиэтилена и функциональной керамики.
1. Температура воздуха 10оС, ясно
2. Температура воздуха 22оС, облачно
3. Температура воздуха 25оС, ясно
4. Температура воздуха 20оС, дождь
Как следует из приведенных данных, композит с содержанием функциональной керамики 0,5% во
всех случаях оказывается более эффективным, чет обычная полиэтиленовая пленка. Если рассмотреть использование солнечной энергии в системе с прозрачной пленкой и пленкой с керамикой, то видно, особенно при неблагоприятных углах, что в первом случае солнечные лучи проходят через пленку и не падают на черную бумагу, преимущественно нагревая боковую поверхность макета. В случае же пленочно-керамического композита, керамика поглощает солнечные лучи и его собственное излучение нагревает черную бумагу. Кроме того, 90% энергии солнечного спектра сосредоточено в диапазоне выше 0,7 эВ, в котором поглощение воздуха и паров воды очень низкое. Керамика, преобразуя дополнительную часть спектра в ИК-диапазон, способствует более полному использованию солнечной энергии. В настоящее время проводятся исследования по оптимизации состава функциональной керамики, и соотношения полиэтилен-функциональная керамика композита.
Таким образом, композит на основе полиэтилена и функциональной керамики, содержащей оксиды железа, хрома, кальция, магния и меди. существенно повышает процесс передачи солнечной энергии.
Выводы.
Применение функциональной керамики в процессах сушки позволяет существенно снизить расход энергии, сократить время процесса сушки, получать высококачественную продукцию, значительно упростить конструкцию и технологический процесс.
Список литературы:
1. Рахимов Р.Х., Ермаков В.П., Рахимов М.Р., Юлдашев Н.Х., Исмаилов К., Хатамов С.О. Особенности синтеза функциональной керамики с комплексом заданных свойств радиационным методом. Часть 3. Computational nanotechnology выпуск №2, 2016.
2. Рахимов Р.Х., Саидов М.С., Ермаков В.П. Особенности синтеза функциональной керамики с комплексом заданных свойств радиационным методом. Часть 5. механизм генерации импульсов функциональной керамикой. Computational nanotechnology выпуск №3, 2016.
3. Рахимов Р.Х., Рашидов Х.К., Ермаков В.П., Егамедиев С., Рашидов Ж.Х. Особенности синтеза функциональной керамики с комплексом заданных свойств радиационным методом. Часть 4. Computational nanotechnology выпуск №2, 2016.
