CC BY
33
УДК 620:631.365.22
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ЗЕРНОВОГО СЛОЯ В ПРОГРАММАХ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Д.А. Будников, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ E-mail: [email protected]
Аннотация. Исследование комбинированных способов воздействия на сельскохозяйственные материалы во многом сопряжено с разработкой промышленного оборудования на основе математических и компьютерных моделей. Тепловая обработка применяется к зерну различных культур на этапах сушки, обеззараживания, подготовки к скармливанию и т.д. Разработка режимов обработки с применением электротехнологий в общем и электромагнитных полей в частности может позволить снизить себестоимость указанных процессов. В данной работе проводилось электродинамическое моделирование зернового слоя, подвергающегося электромагнитному воздействию с целью получения диэлектрических свойств неплотного слоя и определения картины распространения поля в нем. В процессе численного эксперимента зерновой слой был представлен различными способами замещения. Данные численного эксперимента, представленные в работе, получены для ячменя и пшеницы влажностью 16-24%. Эти данные могут быть применены как для определения конструктивных параметров зон СВЧ-воздействия, так и для разработки систем управления оборудованием. Широкие возможности для разработки подобного оборудования дает применение специализированных программных средств. В итоге применение СВЧ-полей позволяет снизить затраты на тепловую обработку на 15-20% в зависимости от процесса и вида обрабатываемого материала. В ходе работы сделаны следующие выводы: данные о диэлектрических свойствах зерновок и зернового слоя требуют уточнения; необходимо проведение экспериментальных исследований по изучению распространения электромагнитного поля в зерновом слое и сопоставление их результатов с результатами численного эксперимента; зерновой слой в программах электродинамического моделирования может быть представлен в виде сплошной формы, в виде набора форм замещения исходных элементов (зерновок); для снижения ресурсоемкости расчетов зерновой слой целесообразно представлять в виде сплошной формы; диэлектрические свойства неплотного зернового слоя в виде сплошной формы могут быть получены через моделирование в виде форм замещения соответствующей плотности. Ключевые слова: микроволновое поле, тепловая обработка, зерно, напряженность поля, прямой нагрев, диэлектрик, моделирование ЭМ полей, программные средства, плотность слоя, псевдоожиженный слой.
Введение. Достижение удовлетворительных для сельскохозяйственных предприятий-производителей экономических показателей и поддержание приемлемых потребительских цен в настоящее время вынуждает применять энерго-ресурсосберегающее оборудование на всех этапах производства. Разработка подобного технологического оборудования в настоящее время предполагает использование средств компьютерного моделирования, создание масштабируемых моделей и прототипирование искомого оборудование. В случае разработки способов термической обработки зерновых материалов, характерной для сушки и обеззараживания способами ВЧ- и СВЧ-воздействия, могут быть применены такие программные про-
дукты математического и визуального моделирования, как COMSOL, FEMLAB, QW3D, CST Studio, ANSYS и некоторые другие [13]. Необходимость сушки и обеззараживания зерновых сельскохозяйственных материалов обуславливается необходимостью сохранения их качества и обеспечения сроков безопасного хранения. Все эти процессы обладают высокой энергоемкостью.
Ранее проводились работы по изучению распространения электромагнитных полей СВЧ-диапазона для указанных процессов в плотном зерновом слое [4]. Однако стоит также обратить внимание на разные состояния зернового слоя, так как процессы тепло-влагопереноса в неплотных слоях обладают большей интенсивностью. Таким образом,
разработка энергоресурсосберегающего оборудования для послеуборочной обработки зерновых не теряет своей актуальности. Для обеспечения быстрого прототипирования и снижения возможности потерь, обусловленных ошибками на различных стадиях разработки и внедрения оборудования, особую значимость приобретает разработка масштабируемых моделей оборудования электромагнитной обработки, но при отсутствии сведений о диэлектрических свойствах многих материалов, а также их зависимости от таких факторов, как плотность слоя, влажность и прочие, работа с ними может вызывать существенные затруднения.
Методика исследования. Основой для математического описания и моделирования в программных средствах выступает система уравнений Максвелла. Программные продукты, такие, как Comsol Multiphysics, FEMLab, QW3D, CST Studio, ANSYS, предназначены для решения данных уравнений тем или иным методом.
Электродинамическое моделирование в HFSS основано на использовании метода конечных элементов (FiniteElementMethod, FEM). Решение граничной задачи ищется в частотной области. Использование метода конечных элементов обеспечивает высокую степень универсальности численных алгоритмов, которые оказываются весьма эффективными для широкого круга вычислений, в нашем случае это - активная зона, заполненная слоем зерна. Подвод энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты осуществляется сбоку при помощи рупорных волноводов от магнетронов.
В процессе моделирования электромагнитного воздействия с помощью программ численного моделирования трехмерных электромагнитных структур материал, на который воздействует поле, обычно представляется в виде сплошной формы с заданными свойствами, описывающими данный продукт при определенных значениях плотности, влажности и прочих параметров (рис. 1а). На первом этапе моделирование проводилось именно таким образом, и зерновому материалу задавались свойства, полученные уче-
ными ранее [5-7, 9]. В случае моделирования воздействия поля на такие сельскохозяйственные материалы, как зерно, комбикорма и прочие сыпучие материалы, возникает некоторое несоответствие свойств отдельных зерновок, составляющих слой и непосредственно массы обрабатываемого материала. Кроме того, в этом случае весьма относительным представляется описание воздушных промежутков и учет порозности слоя [57]. Таким образом, стоит рассмотреть вариант представления слоя в виде объема, полностью заполненного объектами, в виде которых может быть представлен обрабатываемый материал. Так, на втором этапе моделирования, зерно при моделировании и математическом описании может быть заменено шариком эквивалентного диаметра. Объем зернового материала, изображенного таким образом, представлен на рисунке 1б.
Рис. 1. Представление зернового слоя: а - в виде сплошной структуры; б - в виде плотного слоя форм замещения
При послеуборочной обработке зерновой слой может находиться при различной плотности (плотный, разрыхленный, псевдоожи-женный, вихревой кипящий). Измерение диэлектрических свойств в случаях неплотного слоя практически невозможно [5, 8, 9]. Для решения задач моделирования и определения распространения волны зерновой слой может быть представлен эквивалентным объемом зерна с заданной порозностью, что дает возможность определить распределение электромагнитных полей в слое заданной плотности.
На рисунке 2 приведен вид зернового материала различной плотности.
а б
Рис. 2. Представление зернового слоя: а - мягкая пшеница влажностью 16% при плотности слоя 200 кг/м3; б - мягкая пшеница влажностью 16% при плотности слоя 500 кг/м3
Помимо представления зернового слоя в виде набора зерновок, каждая зерновка может быть представлена с учетом неравномерности распределения влаги. На рисунке 3 представлен вид зерновки как вариант, учитывающий равномерное распределение влаги с учетом изменения влажности от центра зерновки к поверхности, что характерно при сушке и обеззараживании зерна с применением электрофизических методов воздействия.
При моделировании свойства зерновых культур брались из различных источников [5-7, 9] и экспериментальных данных [2-3].
Моделирование, проведенное при представлении зернового слоя в виде набора зерновок, показало существенное увеличение затрачиваемого машинного времени, требуемого для получения результатов. Представление же зерновок с учетом неравномерности влажности по слоям внутри зерновки вовсе привело к необходимости существенного снижения количества слоев зерновок при моделировании.
Результаты и их обсуждение. Результаты моделиробвания распространения напряженности электромагнитного поля в пшенице влажностью 16% представлены на рис. 4.
а б
Рис. 3. Представление зерновки: а - с учетом равномерной влажности, ^ср; б - с учетом изменения влажности от центра к поверхности зерновки, Ш>Ш>Ш
Рис. 4. Результаты моделирования распространения напряженности ЭМП: а-в - в виде сплошного слоя; г-е - в виде совокупности шарообразных зерновок
Приведенная в данном случае картина распространения электромагнитного поля в слое диэлектрика характеризуется потерями (выделением мощности) по мере распространения волны.
Судя по результатам моделирования характер распределения электромагнитного поля указанных вариантов представления зернового слоя совпадает, что позволяет го-
ворить о возможности дальнейшей замены представления в виде эквивалентных форм на сплошную. Это позволит существенно сократить требуемое на расчеты машинное время.
Некоторые отклонения в численных значениях обусловлены отсутствием учета влияния переотражения волны с поверхности материала, неточностью данных о диэлектрических свойствах материалов. Из картины распространения ЭМП также следует, что может быть учтена избирательность нагрева, отмечаемая многими авторами [10-12], характерная для областей с более высокой относительно остального объема материала влажностью (более высокими показателями диэлектрических потерь).
Промежуточные данные по диэлектрическим свойствам слоя мягкой пшеницы представлены в таблице 1.
Таблица 1. Диэлектрические свойства слоя мягкой пшеницы
Исходя из вышеизложенного, можно сделать следующие выводы:
1. Данные о диэлектрических свойствах зерновок и зернового слоя требуют уточнения.
2. Необходимо проведение экспериментальных исследований по изучению распространения электромагнитного поля в зерновом слое и сопоставление их результатов с результатами численного эксперимента.
3. Зерновой слой в программах электродинамического моделирования может быть представлен:
- в виде сплошной формы;
- в виде набора форм замещения исходных элементов (зерновок).
4. Для снижения ресурсоемкости расчетов зерновой слой целесообразно представлять в виде сплошной формы.
5. Диэлектрические свойства неплотного зернового слоя в виде сплошной формы могут быть получены через моделирование в виде форм замещения соответствующей плотности.
Литература:
1. Ranjbaran M., Zare D. Simulation of energetic and ex-ergetic performance of micro-wave-assisted fluidized bed drying of soybeans. URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.ene-rgy.2013.06.057.
2. Будников Д.А. Моделирование влияния конструктивных параметров зоны обработки на распределение поля СВЧ в электротехнологическом модуле для сушки и обработки зерна // Инновации в сельском хозяйстве. 2014. №4(9). С. 88-91.
3. Будников Д.А. Измерение напряженности СВЧ поля в зерновом слое // Вестник ВИЭСХ. 2015. №4(21). С. 40-44.
4. Будников Д. Представление зернового слоя при моделировании электромагнитного воздействия // Вестник ВИЭСХ. 2016. №4(25). С. 50-54.
5. Nelson S. Dielectric Properties of Agricultural Materials and Their Applications. Academic Press, 2015. 229 p.
6. Kraszewski A., Nelson S. Composite model of the complex permittivity of ceral grain // J. agric. Engng Res. 1989. №43. pp. 211-219.
7. Nelson S. Dielectric properties of agricultural products and some applications // Res. Agr. Eng. 2008. №54. P. 104-112.
8. Antic A., James M. Hill The double-diffusivity heat transfer model for grain stores incorporating microwave heating // Applied Mathematical Modelling. 2003. V. 27. P. 629-647.
9. Vankatesh M.S. An Overview of Microwave Processing and Dielectric Properties of Agrifood Materials // Biosystems Engineering. 2004. №88(1), р. 1-18
10. Effect of microwave heating of wheat grains on the browning of dough and quality of chapattis / Deep N. Ya-dav a.ot. // International Journal of Food Science & Technology. 2007. №43(7). Р. 1217-1225.
11. Grundas S. Influence of Microwave Heating on Some Physicochemical Properties of Wheat Grain Harvested in Three Consecutive Years // AACCI. 2008. Vol. 85. №2. P. 224-229.
12. Pallai-Varsányi E. Selective Heating of Different Grain Parts of Wheat by Microwave Energy // Advances in Microwave and Radio Frequency Processing. P. 312320.
Literatura:
1. Ranjbaran M., Zare D. Simulation of energetic and ex-ergetic performance of micro-wave-assisted fluidized bed drying of soybeans. URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.ene-rgy.2013.06.057.
Плотность Влажность e tgs
слоя, p, кг/м3 зерна, W, %
200 24 1,32 0,19
500 24 2,63 0,2
800 24 3,95 0,83
200 20 1,2 0,182
500 20 2,41 0,19
800 20 3,61 0,73
200 16 1,05 0,18
500 16 2,09 0,2
800 16 3,14 0,63
2. Budnikov D.A. Modelirovanie vliyaniya konstruktiv-nyh parametrov zony obrabotki na raspredelenie polya SVCH v ehlektrotekhnologicheskom module dlya sushki i obrabotki zerna // Innovacii v sel'skom hozyajstve. 2014. №4(9). S. 88-91.
3. Budnikov D.A. Izmerenie napryazhennosti SVCH polya v zemovom sloe // Vestnik VIEHSKH. 2015. №4(21). S. 40-44.
4. Budnikov D. Predstavlenie zernovogo sloya pri mode-lirovanii ehlektromagnitnogo vozdejstviya // Vestnik VIEHSKH. 2016. №4(25). S. 50-54.
5. Nelson S. Dielectric Properties of Agricultural Materials and Their Applications. Academic Press, 2015. 229 p.
6. Kraszewski A., Nelson S. Composite model of the complex permittivity of ceral grain // J. agric. Engng Res. 1989. №43. pp. 211-219.
7. Nelson S. Dielectric properties of agricultural products and some applications // Res. Agr. Eng. 2008. №54. P. 104-112.
8. Antic A., James M. Hill The double-diffusivity heat transfer model for grain stores incorporating microwave heating // Applied Mathematical Modelling. 2003. V. 27. P. 629-647.
9. Vankatesh M.S. An Overview of Microwave Processing and Dielectric Properties of Agrifood Materials // Biosystems Engineering. 2004. №88(1), r. 1-18
10. Effect of microwave heating of wheat grains on the browning of dough and quality of chapattis / Deep N. Ya-dav a.ot. // International Journal of Food Science & Technology. 2007. №43(7). R. 1217-1225.
11. Grundas S. Influence of Microwave Heating on Some Physicochemical Properties of Wheat Grain Harvested in Three Consecutive Years // AACCI. 2008. Vol. 85. №2. P. 224-229.
12. Pallai-Varsanyi E. Selective Heating of Different Grain Parts of Wheat by Microwave Energy // Advances in Microwave and Radio Frequency Processing. P. 312320.
THE DETERMINATION OF DIELECTRIC PROPERTIES OF GRAIN LAYER IN ELECTRODYNAMIC
MODELING PROGRAMS D.A. Budnikov, candidate of technical sciences, leading research worker Federal research agroengineering centre VIM
Abstract. The influence on agricultural inputs combined methods' study is largely associated with the development of industrial equipment based on mathematical and computer models. Heat treatment is applied to the grain of various crops at the stages of drying, disinfection, feeding preparation and etc. The regimes processing with the electro-technology using in general, and electromagnetic fields in particular can allow to reduce these processes' cost. In this work it was carried out electrodynamic modeling of the grain layer subjecting to electromagnetic effect with the aim of non-tight layer's dielectric properties obtaining and the field distribution in it pattern defining. In the process of numerical experiment the grain layer was presented in many different ways of substitution. The of numerical experiment's data presented in the paper are obtained for barley and wheat with humidity content of 16-24%. These data can be used both the microwave SVCh-exposure zones parameters design determining and the equipment control systems developing. The wide opportunities for such equipment development mean specialized software using. As a result, microwave SVCh-fields application allows to reduce the cost of heat treatment in 15-20% depending on treatment material process and type. During the working the following conclusions had done: data on the dielectric properties of grains and grain layers require clarification; it is necessary the experimental studies on the electromagnetic-field distribution in the grain layer to conduct and comparison of their results with the results of the numerical experiment; the grain layer in the electrodynamic simulation programs can be represented in a continuous shape, in the form of original elements (grains) substitution; for the grain layer calculations intensity resource capacity reducing, it should be presented in the continuous shape; the dielectric properties of non-tight grain layer in the continuous shape can be obtained through modeling in the forms of the appropriate density substitution.
Keywords: microwave field, heat treatment, grain, strength of field, direct heating, dielectric, EM fields modeling, software tools, tight of the layer, pseudo fluidized layer.
