CC BY
15
УДК 631.365.22:621.3.029.6
ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА ПО КОНТРОЛЮ ИЗМЕНЕНИЯ КОМПЛЕКСНОГО ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ЗЕРНОВОГО СЛОЯ ПРИ СВЧ-КОНВЕКТИВНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
А.А. Цымбал, научный сотрудник
Д.А. Будников, кандидат технических наук, зав. лабораторией
Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства E-mail: [email protected]
Аннотация. Для качественной реализации работ по разработке оборудования энергосберегающей обработки зерна целесообразно применение наиболее перспективных разработок в электротехнологиях, таких, как применение электромагнитных полей СВЧ. При этом необходимо исследовать диэлектрические характеристики обрабатываемого материала. Они имеют существенное влияние на распределение поля в массе материала, глубину проникновения, скорость нагрева и т.д. В работе представлены оборудование и этапы планирования эксперимента для измерения удельной мощности и напряженности электромагнитного поля микроволнового диапазона, а также фактора диэлектрических потерь изучаемого материала. Данные, представленные в литературе, показывают существенный разброс значений диэлектрических свойств материалов и не учитывают предварительную обработку материала. Точность измерений зависит от применяемых измерительных инструментов. Для увеличения точности экспериментальных измерений могут быть применены оптические контактные датчики температуры. В качестве изучаемых материалов выступал зерновой слой различной влажности. В данной статье предложен оригинальный метод определения диэлектрических потерь, при этом разработано специальное устройство для проведения экспериментальных исследований по контролю изменения комплексного диэлектрического показателя зернового слоя. В результате проделанной работы были опробованы различные режимы, получено расчетное распределение поля от двух источников микроволнового поля относительно относительной глубины проникновения, выведены основные математические выражения. В работе даны основной набор инструментов и краткая методика планирования эксперимента по контролю изменения комплексного диэлектрического показателя зернового слоя при СВЧ-конвективном воздействии. Данный материал может быть полезен как специалистам по сушке зерна, так и специалистам в области СВЧ. Ключевые слова: зерно, сушка, фактор диэлектрических потерь, диэлектрический нагрев.
Введение. В настоящее время встречает- успешного внедрения термической обработ-
ся все большее количество исследований в ки в соответствии с требованиями качества
области применения электромагнитных по- протекания процесса необходимо обеспечить
лей в процессах тепловой обработки зерно- определенную равномерность поля по всему
вых. Основными направлениями выступают объему материала. При этом мощность, вы-
сушка и обеззараживание. Применение дан- деляемая в диэлектрическом материале, ко-
ных полей предполагает возможность разра- торым в нашем случае является зерно, опре-
ботки энергосберегающей технологии после- деляется по следующей зависимости: уборочной обработки за счет применения „ = 5 56 • Е2 • е" • f • 10-11 Вт/м3 (1) возможности избирательного (прямого) на- уд ,
грева. Для разработки конструкции такого где Е - напряженность электрического
оборудования необходимо иметь дополни- поля, В/м; е" - фактор диэлектрических по-
тельные сведения, на получение которых терь материала; f- частота поля, Гц. направлена настоящая работа. Если рассматривать процесс нагрева с
Распределение мощности электромагнит- точки зрения теплотехнических свойств ма-
ного поля по объему зоны СВЧ-воздействия териала, то энергия, идущая на нагрев, опре-
крайне неравномерно. Для разработки и деляется зависимостью:
Journal of VNIIMZH №4(20)-2015 39
1,1 1
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
0
Р = с • т • ДТ, (2)
где с - теплоемкость материала, Дж/кг-°С; т - масса материала, кг; ДТ - разница между конечной и начальной температурой материала, °С.
Согласно ГОСТ Р МЭК 335-225-97, полезная мощность источника СВЧ также может быть определена по зависимости (2) при соблюдении методики измерения. Следовательно, данные зависимости могут быть использованы для определения входящих в них элементов при известном значении прочих.
Неравномерность распространения мощности по толщине обрабатываемого материала обусловлена потерями в слоях материала по мере удаления от источника. Ввиду этого при изучении распространения электромагнитного поля в материалах вводят понятие глубины проникновения поля, которая определяется по формуле:
Х-^ЕГ
ч /
\Л /У
\л 'л
у"
лЛ'
\ ^^ ■ • " " ✓
X''
— - ^ _ _
--Е1 --
ёр 1
— Е2---Е1+Е2
ёр2 1/е
ёр3
0,95*(Е1+Е2)
рй =
2 п-Е"
(3)
где Я - длина волны, м; а' - диэлектрическая постоянная материала.
При этом глубиной проникновения считается толщина слоя, на которой поле ослабевает в е раз. Для обеспечения равномерности поля источники могут быть расположены встречно друг другу (рис. 1). На рисунке 2 представлено расчетное распределение поля от двух источников микроволнового поля относительно глубины проникновения.
Рис. 1. Схематичное распределение энергии электромагнитной волны в слое диэлектрика с
высоким уровнем фактора диэлектрических потерь: 1, 3 - источники СВЧ поля с волноводами, 2 - камера СВЧ-обработки
Рис. 2. Поле двух встречных источников
На рисунке 2 кривая Е1 характеризует распределение напряженности поля от одного источника поля, Е2 - от источника, направленного встречно первому. Линия 1/е -показывает уровень напряженности, характеризующий глубину проникновения поля в материал. Кривые Е1+Е2 и 0,95*(Е1+Е2) характеризуют суммарное поле от двух встречно расположенных источников без учета потерь и с ними соответственно. Информация о значениях ёр различных материалов зависит от диэлектрических свойств и необходима для расчета конструктивных параметров зон СВЧ-обработки. В литературе представлен достаточно широкий набор диэлектрических характеристик сельскохозяйственных материалов [1-3], однако необходимо учитывать, что они могут существенно отличаться даже для различных сортов в пределах одной культуры. Таким образом, в данной работе предлагается методика и оборудование для определения диэлектрических характеристик сельскохозяйственных культур.
Материалы и методы. Для определения фактора диэлектрических потерь е", как следует из зависимости (1), необходимо знать напряженность электромагнитного поля и мощность, рассеянную в объеме материала. Таким образом, Е может быть посчитан как:
Е =
С
уд
с -р-ДГ
, (4)
15,56 -10-11-е"■/ Лу| 5,56-10-11-е"-/-т' 4 '
где р - объемная плотность материала,
кг/м3.
Для проведения экспериментальных исследований было разработано «Устройство для определения величины удельной мощности электромагнитного поля СВЧ, выделяемой в зерновом слое» (рис. 3). В данном устройстве производится измерение роста температуры за время I в объеме измерительного зонда, заполненного материалом, для которого известны зависимости фактора потерь а" и теплоемкости с от температуры Т.
ных точках, характеризующих рабочую зону установки СВЧ-обработки.
Основная часть. В процессе планирования эксперимента необходимо задаться факторами, в качестве которых могут выступить влажность исследуемого материала, а также температура материала.
Точность измерений зависит от применяемых измерительных инструментов. Так, для увеличения точности могут быть применены оптические контактные датчики температуры. Еще одним способом повышения точности измерений может послужить применение уточненной формулы расчета мощности, рассеиваемой в рабочем теле зонда (2), тогда искомая зависимость примет вид [4]:
(6)
_ с •т•АГ
^уд _ ТТ" + я
Ав
Рис. 3. Устройство для определения величины удельной мощности электромагнитного поля СВЧ, выделяемой в зерновом слое:
1 - ПК, в котором реализуется алгоритм измерения;
2 - преобразователь интерфейсов; 3 - модуль ввода
сигналов (до 8 датчиков); 4 - датчики
С помощью данного устройства измеряется напряженность поля в контрольных точках зоны СВЧ-воздействия.
Далее в этих точках размещаются датчики температуры, производятся измерения роста температуры исследуемого материала под действием электромагнитного поля и рассчитывается значение фактора диэлектрических потерь по формуле:
„ _ Qуд _ см •рм • АТ
5,56 •10-11£2/ 5,56 •10-11-.Е2-/-Т' ( )
где см - теплоемкость исследуемого материала, Дж/кг-°С; рм - объемная плотность исследуемого материала, кг/м3.
Таким образом, для получения диэлектрических показателей зерновых материалов необходимо провести планирование экспериментальных исследований по определению диэлектрических свойств в контроль-
где Ав - разница температур рабочего тела и окружающей среды, °С; йтпл - тепловое сопротивление между рабочим телом и окружающей средой, Вт/м -°С.
План двухфакторного эксперимента по определению диэлектрических характеристик будет выглядеть следующим образом:
План эксперимента
№ Х2(ТЗ) У(а)
1 -1,00000 1,00000 У1
2 0,00000 1,00000 У2
3 -1,00000 -1,00000 У3
4 1,00000 1,00000 У4
5 1,00000 0,00000 У5
6 0,00000 -1,00000 У6
7 -1,00000 0,00000 У7
8 1,00000 -1,00000 У8
9 0,00000 0,00000 У9
Результаты и выводы. Получение качественных результатов эксперимента предполагает не только применение высокоточной измерительной техники, но и наличие точной информации по значениям напряженности электромагнитного поля. Возможность применения данных предполагает исследование широкого набора культур, обусловленного назначением оборудования. Кроме того, необходимо исследовать различные сорта в пределах культуры и разные стадии вегетативного развития.
Journal of VNПMZH №4(20)-2015
41
Данные, полученные в результате экспериментальной работы, далее будут использованы при проектировании конструкций оборудования для СВЧ-конвективного воздействия на зерновые материалы.
Литература:
1. Review of dielectric drying of foods and agricultural products / Y. Wang. URL: http://www.ijabe.org Vol. 4.
2. Будников Д.А. Моделирование влияния конструктивных параметров зоны обработки на распределение поля СВЧ в электро-технологическом модуле для сушки и обработки зерна // Инновации в сельском хозяйстве. 2014. №4(9). С. 88-91.
3. Будников Д.А. Исследование динамических свойств зернового слоя при СВЧ-конвективном воздействии // Инновации в сельском хозяйстве. 2014. №4(9). С. 92.
4. Билько М.И. Измерение мощности на СВЧ. М., 1976.
5. Казаков А.В. Планирование эксперимента и измерение физических величин Пермь, 2014. 89 с.
Literatura:
1. Review of dielectric drying of foods and agricultural products / Y. Wang. URL: http://www.ijabe.org Vol. 4.
2. Budnikov D.A. Modelirovanie vliyaniya konstruktiv-nyh parametrov zony obrabotki na raspredelenie polya SVCH v ehlektro-tekhnologicheskom module dlya sushki i obrabotki zerna // Innovacii v sel'skom hozyajstve. 2014. №4(9). S. 88-91.
3. Budnikov D.A. Issledovanie dinamicheskih svojstv ze-rnovogo sloya pri SVCH-konvektivnom vozdejstvii // Innovacii v sel'skom hozyajstve. 2014. №4(9). S. 92.
4. Bil'ko M.I. Izmerenie moshchnosti na SVCH. M., 1976.
5. Kazakov A.V. Planirovanie ehksperimenta i izme-renie fizicheskih velichin Perm', 2014. 89 s.
PLANNING OF EXPERIMENT OF THE GRAIN LAYER'S COMPLEX DIELECTRIC INDEX DURING THE MICROWAVE-CONVECTIVE EFFECT CHANGES'S CONTROL A.A. Tsymbal, research worker
D.A. Budnikov, candidate of technical sciences, laboratory chief FGBNY VIESH
Abstract. For quality implementation of energy-saving equipment of grain processing works' development it is advisable to use the most perspective developments in electrotechnology, such as the microwave electromagnetic fields' application. By the way it is necessary to investigate the processed material's dielectric properties. It has a significant influence on the field distribution in the bulk of material, the depth of penetration, the rate of heating etc. In the work are presented the equipment and stages of experiment planning for the specific power's measurement and the microwave range electromagnetic field's voltage and dielectric losses' factor of the studied material. The presented in the literature data show the dielectric materials properties' significant variation and do not account of these materials preliminary treatment. The measurement accuracy depends on used measurement tools. To increase the experimental measurements accuracy the contact optical temperature's sensors can be applied. As the study material there were grain layer of different humidity. This article presents an original method of the dielectric losses' determination, thus it is developed a special device for experimental studies on the grain layer's complex dielectric index changes' control conduction. In the result of the done work it had tested the different modes, received the calculated distribution of field from two microwave field's sources relative to the relative depth of penetration, basic mathematical expressions had withdrawn. The paper presents a basic set of tools and a brief methodology of grain layer's complex dielectric index changes' control at microwave-convective effects' experiment planning. Given material can be useful both for grain drying's specialists and professionals in the microwave field. Keywords: grain, drying, dielectric losses' factor, dielectric heating.
