Научная статья на тему 'Исследование распространения электромагнитных волн в зерновом слое'

Исследование распространения электромагнитных волн в зерновом слое Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
30
4
Поделиться
Ключевые слова
ЗЕРНО / GRAIN / СУШКА / DRYING / МИКРОВОЛНЫ / MICROWAVE / ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВ / DIELECTRIC HEATING

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Будников Д.А.

Применение методов диэлектрического нагрева с использованием энергии микроволновых и радиочастотных волн привлекают все большее внимание со стороны научной общественности и представителей промышленности. Грамотное применение данных технологий позволяет разработать энергосберегающие методы обработки, которые могут быть использованы для широкого перечня материалов.The use of methods with the use of dielectric heating of microwave and radio frequ-ency waves are attracting more attention from the scientific community and industry. Proper use of these technologies allows the development of energy-efficient proces-sing methods that can be used for a wide range of materials.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Будников Д.А.,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Исследование распространения электромагнитных волн в зерновом слое»

ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

ВОЛН В ЗЕРНОВОМ СЛОЕ

Д.А. Будников

Применение методов диэлектрического нагрева с использованием энергии микроволновых и радиочастотных волн привлекают все большее внимание со стороны научной общественности и представителей промышленности. Грамотное применение данных технологий позволяет разработать энергосберегающие методы обработки, которые могут быть использованы для широкого перечня материалов.

Ключевые слова: зерно, сушка, микроволны, диэлектрический нагрев.

В процессах переработки зерновых продуктов большое внимание уделяется сушке и обеззараживанию урожая. Эти процессы, прежде всего, направлены на обеспечение сохранности собранного урожая и обеспечение его качественных показателей. Механизмы термической обработки сельскохозяйственных материалов представляют собой сложные энергоемкие процессы. Так, на сушку зерновых продуктов в зависимости от климатического района приходится 10-40% [1].

Основная задача сушки свежеубранного урожая сельскохозяйственной продукции состоит в уменьшении влагосодержания до определенного уровня, обеспечивающего поддержание качественных показателей, таких, как цвет, структура, химический состав, органолептические показатели и т.д. При обычном нагреве горячим воздухом либо инфракрасном нагреве тепловая энергия распространяется в материале посредством температурных градиентов от поверхности к центру. Применительно к сушке эти процессы характеризуются снижением скорости сушки при снижении влажности исходного материала. Длительное воздействие горячим агентом сушки при этом зачастую приводит к нежелательным тепловым повреждениям урожая.

В отличие от конвективного способа, когда подвод теплоты к обрабатываемому материалу передается посредством подогретого агента сушки, в процессе диэлектрического нагрева энергия передается как молекулярное взаимодействие электромагнитного поля непосредственно с обрабатываемым слоем. Таким методом можно достигнуть осуществления более высокой скорости сушки, а также ее равномерности.

Исследования в области использования токов высоких и сверхвысоких частот ведутся с 40-ых годов 20 века. Увеличение интереса к подобным технологиям в последние годы связано с разработкой серийно выпускаемых бытовых и промышленных источников энергии высоких и сверхвысоких частот.

Диэлектрический нагрев обусловлен совокупностью действия многих факторов. Наиболее существенным является преобразование энергии электромагнитного поля в тепловую, обусловленное диэлектрическими свойствами материала. Токи высоких (ВЧ) и сверхвысоких (СВЧ) частот преобразуются посредством объединенных процессов дипольной и ионной поляризации, которые приводят к нагреву материала.

Электромагнитная энергия, передаваемая материалу, характеризуется длиной волны X, частотой^ напряженностями магнитного Н и электрического Е полей. Когда биологический материал подвергается воздействию СВЧ волн, часть поглощенной электромагнитной энергии преобразуется в тепло.

Мощность Руд, поглощенная единичным объемом диэлектрика, зависит от его диэлектрических свойств, частоты и напряженности поля и может быть вычислена согласно закону Джоуля-Ленца:

Рда = ю-80 -е"Е2 (1)

где Руд - удельная мощность, Вт/м ;

ю - угловая частота;

е0 - диэлектрическая постоянная;

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

е" - коэффициент диэлектрических потерь;

Е - напряженность электрического поля, В/м.

Эксперименты, проводимые исследователями в разное время, свидетельствуют о том, что диэлектрический нагрев целесообразно применять в тех случаях, когда коэффициент диэлектрических потерь находится в диапазоне 2^100. Слишком высокое значение е приведет к тому, что глубина проникновения поля в материал уменьшается вплоть до поверхностного нагрева и отражения волны обратно к источнику.

С другой стороны, низкое значение этого коэффициента указывает на то, что материал прозрачен для падающей на него волны, и энергия, выделяемая в нем, окажется незначительной.

В таблице 1 приведены диэлектрические параметры, полученные для некоторых пищевых и сельскохозяйственных материалов исследователями в ходе работы [2].

При диэлектрической сушке тепло, переданное продукту посредством молекулярной вибрации, вызванной электромагнитным полем, ведет к повышению давления водяных паров и, как следствие, к миграции влаги на поверхность. При этом целесообразно использовать движение агента сушки совместно с подводом ВЧ, СВЧ энергии для ускорения протекания процесса.

В общем случае, когда на материал воздействуют электромагнитным полем, часть энергии отражается к источнику, остальная проникает в материал, но ее мощность убывает по экспоненциальному закону по глубине слоя обрабатываемого диэлектрика (рисунок 1).

Материал Температура, °С Влажность, % Диэл. пост. Фактор диэл. потерь Глуб. проникн., см

Частота, МГц Частота, МГц Частота, МГц

27,12 915 27,12 915 27,12 915

Яблоко 22 3,8 - 1,7 - ОД - 68,0

60 3,8 - 3,6 - 0,7 - 14,2

22 23,8 - 5,7 - 2,1 - 6,0

60 22,4 - 14,4 - 4,5 - 4,4

22 69,7 - 33,0 - 6,7 - 4,5

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

60 68,7 - 32,8 - 9,1 - 3,3

Апельсин 20 - 84 72,9 223,3 16,5 10,0 2,7

50 - 78 66,1 367,7 17,5 7,2 2,4

Белый хлеб 25 34,6 2,35 1,81 2,32 0,47 127,5 15,1

25 38,6 2,83 2,08 4,95 0,69 73,4 п,о

55 34,6 2,80 1,94 5,09 0,67 71,7 п,о

55 38,6 3,15 2,17 8,00 0,83 53,3 9,4

Грецкий орех 20 - 4,9 2,2 0,6 2,9 650,3 зд

40 - 5,1 3,0 0,4 2,3 994,1 4,2

60 - 5,3 3,8 0,4 1,8 1013,3 5.8

Нут (мука) 20 7,9 2,99 2,51 0,16 0,15 1902,1 55,1

50 7,9 3,44 2,77 0,19 0,21 1718,1 41,4

80 7,9 6,81 4,68 1,38 0,81 334,4 14,0

20 20,9 4,50 3,33 0,81 0,54 462,6 17,7

50 20,9 11,43 6,64 7,85 1,71 79,7 7,9

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

80 20,9 56,51 216,7 145,88 10,69 12,4 7,2

и

й ф

я а

чз

н »

X

г

Кс X

Л X

г

Кс

X

¡з

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рис. 1. Схематичное распределение энергии электромагнитной волны в слое диэлектрика с высоким уровнем фактора диэлектрических потерь

Необходимость разработки нового оборудования для обеспечения проведений энергосберегающих процессов термической обработки сельскохозяйственных материалов, в том числе с использованием токов ВЧ и СВЧ, вызывает необходимость математического моделирования распространения электромагнитной волны и теплового поля в продукте. Процессы нагрева в СВЧ параметрах описываются системой нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, состоящей из уравнений Максвелла и, при отсутствии мас-сопереноса, уравнения теплопроводности:

rotH = у + дD, rotE = - дВ, divD = 0, divB = 0, дт дт

D = е(©)E, B = ц(©)-и, у = ст(©)-E.

—(с(©) • р(©) ■■ ©)+ (V • У©)= d¿v(x(©) • у©)+ £у(©, Е).

дт

где Е, Н - векторы напряженности электрического и магнитного полей;

D, В - векторы электрической и магнитной индукции;

у - плотность тока проводимости;

е = е'-¿е" = е'-¿а / ю - абсолютная диэлектрическая проницаемость диэлектрика;

ц - абсолютная магнитная проницаемость диэлектрика;

а - проводимость диэлектрика;

ю - круговая частота;

с, р, X - коэффициент теплоемкости, плотность и коэффициент теплопроводности диэлектрика;

V - оператор Гамильтона;

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

О, - удельная поглощенная мощность;

© - температура диэлектрика.

Для подобной работы широко применяются программные средства различных разработчиков. Одним из таких продуктов является CST Microwave Studio. Результаты, получаемые данным продуктом основаны на методе конечного интегрирования (Finite Integration Technique, FIT), который представляет собой последовательную схему дискретизации уравнений Максвелла в интегральной форме. Получаемые матричные уравнения дискретизированных полей могут быть использованы для численного моделирования на современных компьютерах. Кроме того, алгебраические свойства этой теории дискретного электромагнитного поля позволяют аналитически и алгебраически использовать законы сохранения энергии и заряда для дискретной формулировки и дают стабильный алгоритм расчета численным методом во временной области [3].

В лабораторных условиях обычно проводят исследования как установок поточного, так и дискретного типа. Их схематичное изображение приведено на рисунке 2.

Рис. 2. Схематичное представление СВЧ установок для термообработки пищевых и сельскохозяйственных материалов: а - поточная; б - дискретная.

Результаты проектирования распространения электромагнитной волны СВЧ диапазона в поточной линии обработки сыпучих сельскохозяйственных материалов для пшеницы различной влажности, W, и при различных частотах, f выполненного в CST Microwave Studio представлены на рисунке 3.

Моделирование проводилось для участка линии поточной обработки и представляет собой вертикальную полость, сечением 0,2x0,2 м, к которой с одной из сторон подводится СВЧ энергия от источников с различными параметрами. Из полученных рисунков распространения выделяемой мощности четко видна неравномерность, которая выразится в последующем нагреве зернового продукта.

Кроме того, как видно из рисунка 3, при наличии материала, обладающего высокой влажностью, на выходе волновода возникают очаги перегрева, далее которых воздействие на зерновой поток незначительно, либо вовсе отсутствует.

а

б

В случае использования источника более низкой частоты картина значительно лучше, однако в настоящее время нет доступных источников низкой мощности, применение которых позволило бы проводить экономически оправданную обработку в камере подобного типа. Однако существуют конструкции, разработанные для источников большой мощности, конструктивно отличающиеся от приведенной в данной статье.

Наличие дешевых источников малой мощности, работающих на частоте 2,45 ГГц, приводит к расширению исследований, как в нашей стране, так и за рубежом, направленных на создание конструкций с их применением при разработке линий поточной обработки пищевой и сельскохозяйственной продукции.

Графические зависимости, полученные после математической обработки результатов экспериментальных исследований распространения теплового поля в зерновом слое под действием СВЧ поля частотой 2,45 ГГц, приведены на рисунке 4 [4]. Из полученных результатов видна существенная неравномерность распределения поля по материалу, наличие участков, в которых возможен перегрев. Это свидетельствует о необходимости совершенствования оборудования и разработке способов управления СВЧ нагревом обрабатываемого продукта.

а) б)

Рис. 4. Объемные графики распределения температур: а - при т=10с, Ж=20% для: 1 - /=10см; 2 - /=6см; 3 - /=4см; б - на расстоянии 6 см от магнетрона при: 1 - т=20с, 2 - т=10с, 3 - т=5с

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Диэлектрический нагрев обладает многими преимуществами, однако все еще недостаточно широко используется в промышленных целях из-за технических и экономических причин. Несмотря на то, что многочисленные отчеты о научно-исследовательских работах показывают качественную сушку, обеззараживание и иные способы обработки посредством ВЧ и СВЧ полей. Большинство этих исследований выполнено в лабораторных условиях для малых партий и тонких слоев материала, что исключает возможность их масштабируемости для применения в коммерческих целях.

Основными проблемами являются неоднородность распределения температуры по слою и сравнительно высокие затраты на оборудование по сравнению с обычными методами обработки. Для обеспечения применимости научных исследований в данной области к условиям промышленного использования должны быть проведены дальнейшие исследования в следующих направлениях:

1. Разработка поточных линий обработки с возможностью контролирования и управления процессом в режиме реального времени.

2. Увеличение усилий, направленных на изучение распределения электромагнитного поля в «сложных» материалах посредством применения компьютерного моделирования и последующей проверке адекватности полученных моделей.

3. Разработку комбинированных способов, например СВЧ - конвективной обработки, с целью снижения себестоимости технологических процессов. Получение масштабируемых описаний процессов диэлектрического нагрева, обеспечивающих возможность применения изучаемых процессов в промышленных технологических линиях.

4. Изучение зависимости диэлектрических свойств пищевых и сельскохозяйственных материалов как от влажности, так и от температуры. Качество подобных данных способствует получению более точного моделирования протекающих процессов, что может быть применено для разработки оборудования и обеспечения управления технологическими линиями.

5. Необходимо проведение исследований по обеспечению равномерности нагрева материалов под действием электромагнитных полей СВЧ в установках промышленного типа, для обеспечения качественных показателей протекания процессов, а также экономической эффективности применения данного типа энергии.

Литература:

1. Трисвятский Л.А. Хранение зерна. М.: Колос, 1975. 400 с.

2. Wang Y. Review of dielectric drying of foods and agricultural products // Int J Agric&Biol Eng. 2011. Vol. 4, No.1.

3. Курушин А.А. Проектирование СВЧ устройств в среде CST Microwave Studio. М., 2010. 160 с.

4. Будников Д.А. Интенсификация сушки зерна активным вентилированием с использованием электромагнитного поля СВЧ: автореф. дис. к. т. н. Зерноград, 2007. 16 с.

5. Васильев А.Н. Модель распределения температуры нагрева зерна по объему СВЧ активной зоны // Электротехнологии и электрооборудование в сельскохозяйственном производстве: сб. науч. тр. / АЧГАА. Зерноград, 2007. С. 78-81.

Будников Дмитрий Александрович, кандидат технических наук ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии Тел. +7(499)1710659 E-mail: dimm13@inbox.ru

The use of methods with the use of dielectric heating of microwave and radio frequency waves are attracting more attention from the scientific community and industry. Proper use of these technologies allows the development of energy-efficient processing methods that can be used _ for a wide range of materials. Keywords: grain, drying, microwave, dielectric heating.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.