Процессы сушки зерновых материалов с использованием ЭМП СВЧ Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 620:631.365.22

ПРОЦЕССЫ СУШКИ ЗЕРНОВЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭМП СВЧ

© 2009 г. д-р техн. наук, проф. А.Н. Васильев

Азово-Черноморская государственная Azov-Blacksea State Agroengineering

агроинженерная академия, г. Зерноград Academy, Zernograd

На основании теоретических исследований сделаны выводы об эффективности использования давления паров жидкости в зерновке при СВЧ-нагреве для интенсификации сушки. Установлена взаимосвязь перепада температур между центром и поверхностью зерновки со скоростью изменения давления паров в семени. Приведены результаты практического использования теоретических и экспериментальных исследований в различных типах СВЧ-конвективных зерносушилок.

Ключевые слова: сушка, зерносушилка, зерновка, семя, поле СВЧ, поляризация, диэлектрическая проницаемость, СВЧ-конвективная сушка, СВЧ-активная зона.

On the grounds of theoretical researches about efficiency of the use the pressure of the vapours to liquid in a corn seed under microwaves heating for intensification of the drying the main conclusions are made. Difference of temperature drop between the centre and surface of a corn seed at the speed of measurements of the pressure of the vapours in seed is installed. The results of the practical use of the theoretical and experimental studies in different types of microwaves, i.e. a convective grain dryer are described.

Key words: drying, grain dryer, corn seed, dielectric conductivity, microwave frequency, frequency active zone.

Воздействие на зерновку

электрическим полем приводит к поляризации её молекул. В семенах наблюдается атомная и упругая дипольная поляризация. Атомная поляризация происходит в молекулах, которые содержат атомы различного рода, что характерно для молекул всех анатомических частей зерновки. Упругая дипольная поляризация характерна для молекул, которые представляют собой естественные полярные образования. К таким молекулам относятся молекулы воды.

При поляризации в молекуле создается вращательный момент, который смещает её и старается переориентировать вдоль линий поля [1].

seed, microwave frequency field, polarization, i.e. a convective grain dryer, microwave

|! = Qd (1)

где g - дипольный момент; Q - заряд атома; d - расстояние между атомами.

При смене направления

электрического поля вращательный момент выполняет переориентировку молекул в новом направлении.

При переменном электрическом поле молекула постоянно будет находиться в колебании. За счет сил молекулярного трения выделяется тепло, которое разогревает зерновку изнутри, по всему объему. На этом основан принцип СВЧ-нагрева материалов, в том числе и сушки зерна.

Удельная мощность, рассеиваемая в диэлектрике при воздействии СВЧ-поля, определяется из выражения [1]:

Qv = 5,56-10-12s -E2-f = Inf- E2• So■ s tg5,

(2)

где Е - напряженность электрического поля, В/см; f - частота колебаний, Гц; s -действительная часть диэлектрической проницаемости материала; s - мнимая часть диэлектрической проницаемости материала; s0 - диэлектрическая

проницаемость вакуума; tgb - тангенс

угла диэлектрических потерь.

Глубина проникновения

электромагнитного поля в материал также зависит от его диэлектрических свойств и описывается уравнением:

h

X 0 v £ ((

2т

X о

2 л Vs""tgb

(3)

где Х0 - длина волны в вакууме.

Длина волны в материале, подвергаемом воздействию СВЧ-поля, зависит от свойств диэлектрика как

X д =

X 0

(4)

Поскольку в выражениях (1), (2), (3), описывающих основные показатели процесса СВЧ-нагрева, величины Q, d, s, s , Хд зависят от свойств диэлектрика, то целесообразно рассмотреть их особенности для зерновки.

Анатомически зерно разделяется на три главные части - эндосперм, зародыш и окружающие их оболочки.

Для зерна пшеницы относительное весовое содержание анатомических частей зерна в % сухого вещества составляет: оболочки - 5,6...8,9%; эндосперм -

83.3.. .93.9%; зародыш со щитком -

1.4.. .3,8%.

В одном зерне клетки эндосперма в зависимости от расположения

относительно поверхности зерновки отличаются как по размеру, так и по типу заполняющих их крахмальных зерен. Содержание основных химических компонентов также неодинаково для разных анатомических частей зерновки.

Белки и углеводы, являющиеся составными элементами анатомических частей зерновки, относятся к гидрофильным биополимерам. Их

макромолекулы содержат большое

количество функциональных групп, располагающих запасом свободной

энергии. В углеводах это группы - OH и -O-, - NH -, NH2 -, - COOH, - CONH2, -OH и т.п. Каждая из данных групп имеет некоторый запас энергии, который позволяет захватить и удерживать одну, или несколько молекул воды.

Энергетический уровень активных веществ макромолекул зерновки не является величиной постоянной, а зависит от многих факторов. Поэтому количество молекул сорбируемой воды активными центрами будет различным.

Распределение влаги по зерновке неоднородное и не остается постоянным.

Анатомический состав зерновки определяет распределение влаги по её объему и количественное содержание в различных частях.

Немаловажное значение для влагопереноса внутри зерна имеет наличие капилляров. У зерновки отсутствуют макрокапилляры, т.е. капилляры, радиус которых больше 10-5 см. Такие капилляры появляются только при влагосодержании около 40%.

По данным Г.А. Егорова [2], превалирующим диаметром капилляров зерна пшеницы является 2,0.2,5 нм. При повышении температуры возрастает суммарная емкость капилляров и их общее количество. Так, при влагосодержании 20% и температуре 25 0С радиус капилляра равен 1,9 нм, а при 50 0С - 2,25 нм. При влагосодержании 32% разность радиусов возрастает до

6 нм.

Термин «капилляр» может быть применен только условно, поскольку в их качестве выступают межмолекулярные промежутки.

Эндосперм зерновки содержит только межмолекулярные промежутки, поэтому его можно отнести к коллоидным телам. Плодовые же оболочки имеют макрокапилляры и поры, поэтому могут быть отнесены к капиллярно-пористым телам [2].

Изложенное позволяет говорить, что при сушке зерна его анатомические части по-разному способны проводить влагу. С учетом того, что размер молекулы воды составляет 0,3 нм, микрокапиллярные промежутки эндосперма при нагреве могут достигать 2,25 нм, а макрокапилляры поверхности зерна составляют порядка 100 нм, вывод влаги с поверхности зерновки будет происходить интенсивнее, чем её продвижение внутри зерна.

В поле СВЧ молекулы эндосперма будут постоянно менять пространственную ориентацию, поэтому размер

межмолекулярных промежутков, их конфигурация не будут в процессе сушки оставаться постоянными. Это будет создавать дополнительные препятствия для продвижения влаги к поверхности зерна.

Существенное значение может иметь и равномерность распределения влаги по анатомическим частям зерновки.

Экспериментальные данные [2] показывают, что гидрофильность анатомических частей зерновки не одинакова и зависит от влагосодержания. Так, при влажности менее 13% зародыш пшеницы менее гидрофилен, чем эндосперм, а при больших влажностях зародыш сорбирует 50% влаги, а эндосперм - 30%. Причем распределение влаги в зерновке зависит от стадии её созревания (сроков уборки) и от климатических условий в процессе уборки.

На рисунке 1 представлена динамика изменения распределения влажности в зависимости от стадии созревания [3].

Рис. 1. Динамика изменения распределения влажности в зерновке в зависимости

от стадии созревания [3]:

1 - через 14 дней после цветения; 2 - через 19 дней после цветения; 3 - через 27 дней после цветения; 4 - через 32 дня; 5 - через 36 дней; 6 - через 39 дней (после дождя)

Проведенные нами [4]

экспериментальные исследования СВЧ-нагрева семян пшеницы, нута, фасоли подтвердили неравномерность нагрева

семян по объему. Особенно хорошо это видно на семенах фасоли (рис. 2, 3), где показания термопар значительно

отличаются для различных анатомических частей зерновки.

Как показали исследования [3], данное явление имеет важное биологическое значение. Семена на стадиях, более устойчивых к подсушиванию, имеют сравнительно низкую всхожесть, и для них сопротивляемость водоотдаче является жизненно необходимой. Эти моменты нужно учитывать при ранних сроках

уборки. Уборка может быть проведена с минимальными потерями, но значительно увеличатся энергозатраты на сушку зерна до кондиционной влажности.

Поскольку влажность, а

следовательно, и диэлектрическая проницаемость внутренних слоев зерна больше, чем внешних, то при воздействии СВЧ-полем в большей степени зерновка нагревается изнутри.

Рис. 2. Размещение термопар в зерновке фасоли

Рис. 3. Кривые «нагрев в СВЧ-поле - охлаждение» зерновки фасоли

влажностью W3=20%:

1 - термопара внутри зерновки; 2 - термопара перед поверхностью зерновки;

3 - термопара на поверхности зерновки;

4 - термопара в торце внутри зерновки; 5 - в СВЧ-камере

Таким образом, ликвидируется градиентов температуры и влажности.

недостаток конвективной сушки - Движущими силами СВЧ-сушки являются

противоположная направленность градиент температур и градиент давления

паров жидкости внутри тела [5]. изменения давления пара в зерновке при Теоретические исследования [6] позволили СВЧ-нагреве, и после снятия СВЧ-получить функциональные зависимости воздействия:

2 х(0ц -0И)-QvЯ2 - 3,176 • ар • Рц • r'р • cv Р(т) =----^^—р^ц---------------------•! + cl,

r'Рз • cv^Я

_2

-zv0,25-p

а„ •л

Нъ)= Рцо •« R

2

(5)

(6)

центре зерновки, Па; R - определяющий размер материала (для зерна - радиус зерновки), м; а^, - коэффициент

конвективной диффузии, м2/с; Рц -

давление в центре зерновки в момент прекращения действия СВЧ-поля, Па; T -время, отсчитываемое с момента прекращения действия СВЧ-энергии.

Данные зависимости представлены в графическом виде на рисунке 4.

Рис. 4. Расчетная динамика изменения давления в зерновке

где 0п - температура поверхности зерновки, °С; 0ц - температура в центре зерновки, °С; r' - теплота парообразования, кДж/кг; р з - плотность зерна, кг/м ; X - коэффициент теплопроводности зерна, кДж

-------; СЛ, - емкость тела по отношению

м.с.°С v

к влажному воздуху,

1

Cv =

1

Рн Па

РН - давление пара материала при данном влагосодержании, Па; Рц - давление пара в

Их анализ позволяет сделать несколько выводов по конструктивным особенностям СВЧ-сушилок и по управлению процессом сушки.

Так, из графиков видно, что скорость падения давления паров жидкости в

микрокапиллярах зерновки составляет

5...10 с. Поэтому зерносушилки,

использующие СВЧ-нагрев эпизодически, несколько раз в процессе сушки будут менее эффективны, чем зерносушилки с постоянным СВЧ-воздействием. Однако

необходимо организовать сушку таким образом, чтобы не происходило перегрева зерна. Поэтому нет смысла использовать в зерносушилках магнетроны большой мощности. Целесообразно применение магнетронов мощностью до 1 кВт. В этом случае появляется возможность

использовать СВЧ-активные зоны, полностью заполненные зерном. При этом необходимо учитывать, что в соответствии с выражением (3) глубина проникновения поля СВЧ для влажного зерна,

dP

dx

где

K -

2-X

r'-p3 • cv- R2

4,1864 -i03 - Рц

R 2

Коэффициент корреляции между ---

dx

и A© составил 0,999.

При релаксации давления

коэффициент корреляции между разностью температур A© и давлением паров в зерновке Ррел равен 0,717. Для

временного интервала в 5 с коэффициент корреляции Ka©p = 0,956, для 10 с

K a©p = 0,885. Данные результаты

показывают, что в первые моменты времени (5-10 с) после прекращения действия СВЧ-поля на зерновой слой по изменению разности температур между поверхностью зерновки и ее центром можно судить о релаксации давления паров в зерновке, что позволяет организовать контроль данного параметра.

Фирма «АСТ», г. Таганрог, изготавливает СВЧ-зерносушилки, в которых реализованы некоторые результаты теоретических и

экспериментальных исследований по СВЧ-сушке, проводимых в АЧГАА. Разработано несколько модификаций СВЧ-зерносушилок. На рисунке 5 представлен вариант низкотемпературной СВЧ-конвективной зерносушилки, в которой

поступающего в зерносушилку, будет меньше, чем после его подсушки.

Эффективное использование

давления паров жидкости в зерновке, как движущей силы процесса сушки, требует контроля этого параметра. Проведенные исследования [6] показали, что существует корреляционная связь между разностью температур центра и поверхности зерновки и скоростью изменения давления паров влаги в зерновке. При СВЧ-нагреве она может быть найдена с использованием выражения

= K A©-K2 , (7)

499,775 - Рц q

ц Qv

K 2 - 2 ; •

R2 r-p3 - Cv

предусмотрена зона СВЧ-активации зерна и отдельно стоящая зона конвективной низкотемпературной сушки.

Сушилка работает следующим образом. Влажное зерно поступает в СВЧ-активную зону, где происходит его предварительная подсушка. Отвод влаги из СВЧ-активной зоны осуществляется за счет подаваемого в неё теплого воздуха.

Далее зерно норией перегружается в бункерную сушилку с радиальным воздухораспределением. Досушка зерна осуществляется теплоносителем с температурой 40...50 °С. При

необходимости зерно может направляться на повторный круг сушки.

ООО «АСТ», г. Таганрог, изготовлена модификация шахтной зерносушилки (рис. 5), в которой СВЧ-активные зоны располагаются последовательно.

Небольшие габариты СВЧ-активных зон позволяют монтировать их в помещениях ЗАВов после линий очистки.

Кроме того, модульный принцип построения позволяет комплектовать зернопункт требуемой мощностью зерносушилки, располагая её в необходимой точке технологической линии подработки зерна.

Рис. 5. Внешний вид низкотемпературной конвективной зерносушилки

с СВЧ-активацией зерна

Рис. 5. Шахтная СВЧ-конвективная зерносушилка

Рис. 6. Расположение СВЧ-активных зон в помещении ЗАВа

На рисунке 6 показан вариант Ярославской области. В его помещении

переоборудования ЗАВа в ООО «Мансы» установлены две параллельно работающие

СВЧ-конвективные зерносушилки. В зерносушилках осуществляется основной влагосъем. Досушивание проводят в выгрузном бункере ЗАВа,

дооборудованном вентиляционными

каналами, в которые воздух подают посредством вентиляторов.

Применение СВЧ-активных зон позволяет увеличить производительность

оборудования до 30% при низкотемпературной сушке и на установках активного вентилирования, снизить энергоемкость процесса в зерносушилках шахтного типа. Использование СВЧ-конвективных зерносушилок не требует подвода газовых сетей или применения жидкого топлива.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пюшнер, Г. Нагрев энергией сверхвысоких частот: пер. с англ. [Текст] / Г. Пюшнер. - М.: Энергия, 1968. - 311 с.

2. Егоров, Г.А. Влияние тепла и влаги на процессы переработки и хранения зерна [Текст] / Г.А. Егоров. - М.: Колос, 1973. - 264 с.

3. Аксенов, С.И. Вода и её роль в регуляции биологических процессов [Текст] / С.И. Аксенов. - М. - Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2004. - 212 с.

4. Васильев, А.Н. Исследование возможности использования термопар в СВЧ-активной зоне [Текст] / А.Н. Васильев, Д.А. Будников, А.А Васильев, Д.А. Филоненко // Сборник научных трудов. Вып. 7. Электротехнологии и электрооборудование в сельскохозяйственном производстве. - Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2007. - С. 82-85.

5. Лыков, А.В. Теория сушки [Текст] / А.В. Лыков - М.: Энергия, 1968. - 472 с.

6. Васильев, А.Н. Влияние градиента температуры при СВЧ-нагреве на давление пара в зерновке [Текст] /А.Н. Васильев, Д.А. Будников //Вестник ФГОУ ВПО МГАУ им. В.П. Горячкина. Агроинженерия.- 2007. - № 3. Ч. 1. - С. 27-29.