Экспериментальное моделирование процессов подсушивания зерна в СВЧ-поле при подготовке к помолу Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

УДК 664.71.05

Экспериментальное моделирование

процессов подсушивания зерна в СВЧ-поле при подготовке к помолу

Анисимов Александр Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология производства и переработки продукции животноводства» e-mail:[email protected]

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова»

Аннотация. Сушка зерна - это сложный, непрерывный и энергоёмкий процесс. Один из путей повышения качества зерна (и соответственно продуктов его переработки) и экономии энергии - использование автоматической системы управления технологическим процессом (АСУ ТП). Технологический процесс сушки зерна пшеницы состоит из измерения и регулирования основных параметров: влажности и температуры. Эти задачи решаются с помощью приборов, которые позволяют не только регулировать процесс сушки, но и сохранять данные техпроцесса для их последующего анализа. Создана экспериментальная установка для проведения исследований по СВЧ-сушке с многофункциональной системой управления технологическим процессом и сохранением информации с использованием приборов фирмы ОВЕН: измерителя-регулятора МПР-51-Щ4 и адаптера интерфейса АС4. Приведена структурная схема усовершенствованной системы управления сушкой зерна. Описаны её возможности, принцип работы и методика проведения экспериментальных исследований. Проведены экспериментальные исследования на шелушильно-сушильной установке. Представлены их результаты.

Ключевые слова: гидротермическая подготовка, влажность зерна, инфракрасная сушка, измеритель-регулятор, автоматизация систем управления технологическим процессом.

В настоящее время мировая наука и практика пришли к выводу, что одним из наиболее перспективных путей дальнейшего повышения эффективности переработки зерна является совершенствование подготовки его к помолу. В частности это внедрение автоматизированных комплексов, позволяющих точно управлять режимами увлажнения, гидротермической обработки (ГТО) и подогрева зерна. Данные системы позволяют в автоматическом режиме рассчитывать соотношение воды и зерна, в зависимости от его текущей влажности, подогревать его при необходимости. Всё это позволяет не только экономить энергоресурсы и воду, но главное - повысить качество конечной продукции и сделать его стабильно высоким.

Повышенная влажность зерна после ГТО должна быть снижена до значений, требуемых по ГОСТу (13,5-15,5 %). Кондиционная влажность зерна, поступающего на размол, достигается за счет сушки. Правильно организованный процесс сушки позволяет сохранить и повысить качество сырья, улучшить его качественные и технологические показатели: снизить энергозатраты на размол, повысить белизну муки и увеличить срок её хранения.

Но, в отличие от крупных промышленных предприятий, в поточно-технологических линиях по переработке зерна малых предприятий (до 30 т/сутки) отсутствуют сушилки после бункеров для отволаживания. Их дополнительная установка сложна и удорожает технологический процесс.

Обзор технических решений по вопросам подготовки зерна к помолу показывает, что большинство фирм-производителей малогабаритных поточно-технологических линий для переработки зерна используют шелушильно-шлифовальные машины типа А1-ЗШН-3, которые работают, используя механический способ воздействия на зерно пшеницы - трение и сжатие. Поэтому наиболее эффективной представляется разработка комбинированных машин для шелушения зерна, которые кроме своей главной функции - шелушения, при необходимости, могут выполнять ещё и дополнительные операции, например подсушивание и обеззараживание. Машины будут легко встраиваться в стандартные поточно-технологические линии всех основных производителей малогабаритного оборудования для переработки зерна и стоить на порядок дешевле промышленных аналогов [1].

Для малых предприятий по переработке зерна мощностью до 30 т/сутки была разработана комбинированная вертикальная шелушильно-сушильная машина непрерывного действия с автоматической системой управления температурой и влажностью зерна, с инфракрасным (ИК) энергоподводом [2, 3].

Недостатком этой машины для реализации ИК-сушки, описанной в работах [2, 3], является использование в качестве источников нагрева зерна инфракрасных излучателей. Применение ИК-нагрева не позволяет нагреть материал до температуры обезвоживания при максимальной производительности из-за малого времени нахождения в рабочей зоне машины.

Для эффективного нагрева зерна за короткий промежуток времени необходимо вместо традиционных для пищевой промышленности способов сушки (сублимационной, вакуумной, инфракрасной) использовать современные инновационные способы воздействия сверхвысокочастотным (СВЧ) и электромагнитным полем (ЭМП). Опыт исследователей показывает, что использование СВЧ в комбинации с сушкой при пониженном давлении наиболее эффективно при обработке термолабильных материалов.

Особенностью СВЧ-нагрева является так называемый объемный нагрев, т.е. тепло генерируется сразу во всем объеме материала вследствие взаимодействия

ЭМП с молекулами воды, находящимися во влажном материале. Кроме того, СВЧ-нагрев является безынерционным, т.е. тепловое воздействие включается и выключается практически мгновенного, при этом коэффициент полезного действия преобразования СВЧ-энергии в тепловую - более 80 %. Описанные выше особенности позволяют упростить и повысить эффективность регулирования процесса сушки по температуре [4, 5].

Дополнительно повысить эффективность СВЧ-сушки можно за счет комбинирования её с вакуумированием рабочей камеры для снижения температуры сушки. Преимущество данного подхода заключается в щадящем эффекте при обработке органических растительных материалов, для которых предельная температура нагрева является важнейшим аспектом, влияющим на качество конечной продукции.

Схема поэтапного процесса подготовки зерна к помолу на малых предприятиях представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема процесса подсушивания зерна при подготовке к помолу

С энергетической точки зрения СВЧ-сушка гораздо менее затратна по сравнению с конвективными способами сушки. Это достигается за счет того, что энергия, подводимая ко всему объему объекта нагрева, позволяет быстро доставить воду из внутренних слоёв на поверхность, не изменяя общего влагосодержания, (при этом нагрев продукта минимален); а механическое удаление воды с поверхности, в режиме фильтрационного обезвоживания, происходит при минимальном снижении температуры поверхности зерновки [6, 7].

Вышеприведённое свидетельствует, что организация сушки полем СВЧ осуществима без обязательного полного парообразования.

Современная промышленность осваивает СВЧ и электромагнитные технологии уже достаточно давно (например, при сушке древесины), однако в пищевом секторе мало инновационных предприятий, разрабатывающих оборудование, работающее на этом принципе. В России это такие предприятия, как: «Аграрные сверхвысокочастотные технологии» (ООО «АСТ») (Таганрог), «Ньютехагро» (Воронеж), «ЭкоМашСервис» (Новокузнецк). Среди зарубежных стран наиболее активно развивает инновационный рынок микроволнового и электромагнитного оборудования Китай (G.M.I. Timber & Machinery (Liaoning) Limited и др.).

Схема экспериментальной установки. Для проведения комплексных экспе-

риментальных исследований была создана установка, состоящая из герметичной микроволновой камеры с радиальным вентилятором, магнетроном мощностью 1000 Вт и электронных весов. В качестве объекта исследовалось зерно пшеницы мягких сортов, размещенное плотным слоем разной толщины в рабочей зоне камеры.

Автоматизированная система управления (АСУ) установки построена на основе приборов фирмы «ОВЕН»: измерителя регулятора МПР-51-Щ4, датчиков температуры (термосопротивление ТСМ-50 и пирометр), влажности («Фауна»), давления (ПД100 ), весов электронных KERN, а также компьютера, позволяющего проводить гибкое конфигурирование системы сбора и обработки информации (рис. 2).

Рисунок 2. Схема системы управления сушкой зерна на базе измерителя-регулятора МПР-51-Щ4

Программа исследований включала несколько серий опытов с различной толщиной слоя зерна (весом), различной мощностью работы магнетрона и различным давлением рабочей камеры. Результаты измерения температуры слоя зерна и температуры выходящего из камеры воздуха, а также веса зерна фиксировались АСУ экспериментальной установки.

Перед началом работы установки с помощью конфигуратора задаются значения установок в ОВЕН МПР-51-Щ4 как по температуре нагрева зерна tзад.макс и tзад.мин, так и по времени нагрева. Опрос датчиков, подключенных к измерителю-регулятору задаётся с учётом необходимой точности измерения. Работа АСУ на базе МПР-51 подробно описана в работах [2, 3].

Значение влажности, веса, температуры зерна и выходящего из установки воздуха при различных режимах сушки архивируются на жестком диске компьютера. Для связи прибора с компьютером используется адаптер сети ОВЕН АС4, преобразующий сигналы интерфейса RS 485 в USB и обратно и OPC-сервер OWEN.

В непрерывном режиме компьютер обрабатывал информацию, которая по-

ступала от электронных весов, термопар, пирометра, и выводил на монитор линии трендов температуры зерна, воздуха в камере, влажности воздуха, выходящего из камеры. Поступающие данные обрабатывались программным комплексом Statistica 10.1.

Для визуального отображения параметров технологического процесса на экране компьютера, контроля и архивации данных использовалась программа SCADA SIMP Light. Для визуализации процесса работы установки в ней была создана мнемосхема управления. Образец отчёта с журналом тревог приведен на рисунке 3.

В ходе проведенных опытов были получены зависимости скорости обезвоживания от толщины слоя зерна в рабочей камере, от мощности излучения и от степени разрежения в камере.

Рисунок 3. Модуль просмотра графиков программы SIMP Light и журнал «тревог»

На рисунках 4-6 представлены линии сушки при различной толщине слоя зерна в камере и максимальной мощности излучателя (1000 Вт).

Зерно пшеницы в рабочей зоне камеры размещали толщиной от 2,5 до 8 см (диапазон толщины слоя выбран исходя из размеров рабочей зоны разрабатываемой машины и её производительности) и облучали СВЧ-излучением различной мощности. Влагосодержание зерна фиксировалось по показаниям электронных весов KERN по балансу массы. Результаты исследований представлены в виде зависимостей изменения влагосодержания зерна пшеницы от фиксированной мощности излучения магнетрона (рис. 4). Как показали эксперименты, при снижении мощности излучения скорость процесса снижается пропорционально.

Зависимость влажности терна от времени сушки (мощность тлтчателя Р=1000 Вт)

22

21

20

^Г 19 га"

а. ю Г

е*

I 17

5 < »=2,5 ■м см

Я=8 № I

Ч «

16

15

14

13

20 40 60 80 100 120 140

Бремя сушки, сек.

160

180

200

220

Рисунок 4. Зависимость влажности зерна от времени сушки (мощность излучателя Р= 1000 Вт)

Анализ полученных данных позволил определить, что процесс сушки состоит из двух фаз: начальной, в процессе которой зерно нагревается (от 20 до 120 секунд, длительность пропорционально зависит от толщины слоя материала), и фазы самой сушки, причём влажность слоя материала уменьшается почти линейно. Длительность сушки для наибольшей толщины слоя составила около 220 секунд.

Эффективность микроволновой сушки, по сравнению с устаревшими способами, показывают термограммы процесса нагрева зерна в зависимости от толщины слоя и мощности СВЧ-излучения. В ходе каждой серии проведенных опытов, пирометром фиксировалась температура зернового слоя. На рисунке 5 представлены термограммы для толщины слоя S = 5 см.

Слой зерна толщиной S = 5 см нагрелся до своей максимальной температуры в 58 °С за 140 сек. при полной мощности магнетрона (1000 Вт). Слой толщиной S = 2,5 см достиг предельно допустимой температуры в 60 °С уже на 45-ой секунде, а через 75 секунд его температура превысила значение в 100° С.

Термограмма зернового слоя при толщине слоя S = 5 см

65 60 U 55

О. 50

- - < - - A

i i У / J-

А s * S * A '

А / a, .O- '

/ k ' 'Y // /у' "

/ ft/ V У * J s ^ WOO Вт Ц] 800 Вт

600 Вт

45

«

ft 40

Я

35

М

I

н 30

25 20

20

60

260

100 140 180 220

Продолжительность обработки, Г, сек. Рисунок 5. Термограмма зернового слоя при толщине слоя S = 5 см

300

Экспериментальные данные позволили построить зависимости скорости сушки от мощности магнетрона в камере нагрева. Мощность изменялась стандартным встроенным регулятором СВЧ печи, магнетрон работал в импульсном режиме. На рисунке 6 представлен график скорости сушки при максимальной мощности магнетрона Р=1000 Вт.

Скорость сушки при толщине слоя S=5 см

1,80 1,60

В 1,40 S

$ 1,20 чз

В 1.00

В

0,80

(J

J

g 0,60 а.

U 0.40

ж 1000 Вт 800 Вт

[ 3-E 4---в---E ж 600 Вт

--< __----< --

0,20 0,00

14

15

16

20

17 18 19

Влажность зерна IV, % Рисунок 6. Кинетика сушки пшеницы в микроволновом поле

21

Полученные графики описывают динамику процесса сушки и дают возможность оценить изменения её скорости. Анализ данных показывает, что скорость сушки существенно не снижается на всём протяжении и прямо пропорционально зависит от мощности СВЧ-излучения.

В целях проверки теоретических данных о повышении эффективности влагоу-даления при пониженном давлении воздуха была проведена серия опытов при пониженном давлении воздуха рабочей камеры, которое создавалось откачивающим вентилятором. Герметичность разработанной установки и мощность встроенного вентилятора позволяет понизить давление воздуха в камере с атмосферного 100 кПа до 85 кПа.

Полученные данные показывают, что снижение давления в камере до 85 кПа сокращает время сушки со 160 до 140 сек. (при толщине слоя S = 5 см, и мощности магнетрона 1000 Вт) (рис. 7).

Зависимость влажности зерна от времени сушки (мощность ичлучателя Р=10(Н> Вт)

22

21

20

о--

Й

19

К

аз

е. 1 п

^

А

Й 17

о

ж

£ 16

«

15

14

13

8= 5 см Я=2,5 см 8=8 см

20 40 60 80 100 120 140 160

Время сушки, сек.

180

200

220

Рисунок 7. Зависимость влажности зерна от времени сушки при вакуумировании рабочей камеры

(мощность излучения Р = 1000 Вт)

Данные, полученные в ходе экспериментальной части исследований, подтвердили теоретические предпосылки целесообразности изготовления экспериментальной шелушильно-сушильной установки на основе СВЧ-излучателей (рис. 8) [8].

За основу для построения установки принята вертикальная шелушильно-сушильная установка с ИК-излучением [9]. Машина позволяет постоянно шелушить зерно и в случае необходимости подсушивать за счет СВЧ-энергоподвода. Встроенный вентилятор позволяет создавать разрежение внутри машины.

Ьозйдх

Рисунок 8. Шелушильно-сушильная машина с СВЧ-излучением 1 - корпус, 2 - загрузочный патрубок, 3 - выпускной патрубок, 4 - электродвигатель, 5 - ситовой цилиндр, 6 - полый вал с отверстиями, 7 - СВЧ-излучатели, 8 - абразивные круги, 9 - ситовые обечайки, 10 - вентилятор.

Данные исследования были проведены по договору с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (№180ГС1/6784 от 25.12.2014) по программе «СТАРТ» совместно с ООО «Здоровое питание» [10].

Выводы. Микроволновые технологии в настоящее время являются одними из самых эффективных для нагрева продукта.

Разработана экспериментальная установка для СВЧ-сушки зерна с автоматизированной системой управления на основе приборов фирмы «ОВЕН».

Анализ результатов проведённых предварительных экспериментальных исследований позволяет сформулировать требования к изготовлению и функционированию установки для подсушивания зерна при подготовке к помолу при комбинированном импульсном воздействии микроволновым полем и вакуумированием рабочей зоны. Производительность установки следует связать с мощностью микроволнового излучения, а время его воздействия должно быть разным для фаз прогрева зерна до температуры обезвоживания и самой сушки. Во время последней время и мощность микроволнового излучения должны ограничиваться максимально допустимой температурой нагрева зерна (60 °С).

Результаты экспериментов подтвердили перспективность предложенных технических решений для СВЧ-подсушивания зерна пшеницы, при этом вакуумирова-ние рабочей зоны является дополнительным фактором интенсификации процесса сушки.

Предложенные принципы и схема машины требуют дополнительно ряда технических и конструкторских решений для обеспечения необходимого качества об-

работки зерна и безопасности технологического процесса.

Список литературных источников:

1. Анисимов, А.В. Пути повышения эффективности процесса переработки зерна на малых предприятиях / А.В. Анисимов // Вестник Саратовского госагроуни-верситета им. Н.И. Вавилова. - 2012. - №8. - С. 38-43.

2. Анисимов, А.В. Система автоматического управления температурой и влажностью при подготовке зерна к помолу / А.В. Анисимов // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. - 2013. - №10. - С. 44-47.

3. Анисимов, А.В. Усовершенствованная система для автоматического управления температурой и влажностью зерна при подготовке к помолу/ А.В. Анисимов // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. - 2015. - №6. -С. 53-56.

4. Бурдо, О.Г. Эволюция сушильных установок. Энергетический аспект / Труды междунар. науч.-техн. семинара «Актуальные проблемы сушки и термовлаж-ностной обработки материалов». - Воронеж, 2010. - С. 478-487.

5. Васильев, А.Н. Эффективность применения поля свч для интенсификации сушки зерна активным вентилированием / А.Н. Васильев, Д.А. Будников, Б.Г. Смирнов // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2008. - №7. - С. 29-30.

6. Файзрахманов, Ш.Ф. Применение СВЧ для сушки сельскохозяйственной продукции / Ш.Ф.Файзрахманов // Материалы IX Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие экологически безопасные технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции. Лапшинские чтения», 2013. - С. 369-371.

7. Обоснование целесообразности использования СВЧ-излучения для сушки льнотресты в ленте / Р.А. Шушков, А.Л. Бирюков, Д.В. Кустов, А.С. Кузнецов // Мо-лочнохозяйственный вестник. - 2016. - №4. - С. 99-112.

8. Пат. 161834 Российская Федерация, МПК7 B02B1/06. Шелушильно-сушильная машина с СВЧ-излучением [Текст] / Анисимов А.В.,; заявитель и патентообладатель ООО «Здоровое питание».- № 2012104970; заявл. 26.01.2016; опубл. 10.05.2016, Бюл. № 13. - 7 с.: ил.

9. Пат. 2491124 Российская Федерация, МПК7 B02B3/02. Шелушильно-сушильная машина / Анисимов А.В., Богданова М.С.; заявитель и патентообладатель Саратовский гос. аграрный ун-т имени Н.И.Вавилова. - № 2012104970; заявл. 13.02.2012; опубл. 27.08.2013, Бюл. № 24. - 7 с.: ил.

10. Разработка и создание экспериментального образца энергосберегающего оборудования для подготовки зерна к помолу: отчет о НИОКР / А.В. Анисимов, М.С. Анисимова, Д.В. Сивицкий, А.К. Алейников. - Рег. № НИОКР 115082610022, 14.12.2015. - 65 с.

References:

1. Anisimov A.V. Ways of increasing effectiveness of grain processing at small enterprises. Vestnik Saratovskogo gosagrouniversiteta imeni N.I. Vavilova [Bulletin of Saratov State University named after N.Vavilov], 2012, no. 8 (4), pp. 38-43.

2. Anisimov A.V. System of automatic temperature and humidity control in preparing

grain for milling. Vestnik Saratovskogo gosagrouniversiteta imeni N.I. Vavilova [Bulletin of Saratov State University named after N.Vavilov], 2013, no. 10, pp. 44-47.

3. Anisimov A.V. Improved system of automatic temperature and humidity control in preparing grain for milling. Vestnik Saratovskogo gosagrouniversiteta imeni N.I. Vavilova [Bulletin of Saratov State University named after N.Vavilov], 2015, no. 6, pp. 53-56.

4. Burdo O.G. Evolution of dryers. Energy aspect. Trudy mezhdunarodnogo nauchno-tekhnicheskogo seminara "Aktual'nye problemy sushki i termovlazhnostnoy obrabotki materialov" [Proc. of the international scientific-technical seminar "Actual problems of drying and wet thermal treatment of materials"]. Voronezh, 2010, pp. 478487. (In Russian).

5. Vasil'ev A.N., Budnikov D.A., Smirnov B.G. Efficiency of the microwave fields for intensification of grain drying with active ventilation. Khranenie i pererabotka sel'khozsyr'ya [Storage and processing of agricultural products]. 2008, no. 7, pp. 2930. (In Russian).

6. Fayzrakhmanov Sh.F. Application of microwave for drying agricultural products. Materialy IX Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Resursosberegayushchie ekologicheski bezopasnye tekhnologii proizvodstva i pererabotki sel'skokhozyaystvennoy produktsii Lapshinskie chteniya» [Materials of the 9th International scientific-practical conference "Resource-saving ecologically safe technologies of agricultural product producing and processing "Lapshinskie chteniya"], 2013, pp. 369-371.

7. Shushkov R.A., Biryukov A.L., Kustov D.V., Kuznetsov A.S. Practicability justification of microwave radiation for drying flax in the tape. Molochnokhozyaystvennyy vestnik [Dairy Bulletin], 2016, no. 4, pp.99-112.

8. Anisimov A.V. Shelushil'no-sushil'naya mashina s SVCh - izlucheniem [Shelling and drying machine with microwave radiation].Patent RF, no. 161834, 2016.

9. Anisimov A.V., Bogdanova M.S. Shelushil'no-sushil'naya mashina [Shelling and drying machine].Patent RF, no. 2491124, 2013.

10. Anisimov A.V., Anisimova M.S., Sivitskiy D.V., Aleynikov A.K. Development and creation of experimental energy-saving equipment sample for grain milling preparation. Research and development report. No. 115082610022, 2015. 65p.

Experimental modeling of the microwave grain drying process in preparation for grinding

Anisimov Alexander Vladimirovich, Candidate of Science (Technics), Associated Professor of the Production and Processing of Livestock Product Technology Chair

e-mail: [email protected]

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education Saratov State Agrarian University named after Vavilov N.I.

Abstract. Grain drying is a complex, continuous and energy-intensive process. One of the ways to improve the quality of grain (and therefore its products) and to save energy is the use of the automatic control system of the technological process (ACS TP). The technological process of grain drying includes measuring and regulation of such indicators as moisture and temperature. These aims are achieved with the help of devices, which make it possible not only to regulate the drying process, but also to archive the technological process data for their further analysis. There has been made an experimental facility for researching the process of microwave grain drying with multifunctional system of the technological process control and information archive application using MPR-51- SHCH4 meter-controller and AC4 interface adapter, which are being OVEN firm devices. The block diagram of the improved control system of drying grain is given. Its characteristics, working principle and the experimental research methodology are described. Experimental studies on shelling and drying installation have been conducted. The test results are given in the article.

Keywords: hydrothermal treatment preparation, grain moisture, infrared drying, meter-controller, automation of technological process control system.