CC BY
648
"" — — Jj Ставрооодья
научно-практическии журнал
УДК 631.171
Ксенз Н. В., Шабанов Н. И.
Ksens N. V., Shabanov N. I.
СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ПРОЦЕССА СУШКИ СЕМЯН ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
WAYS OF REDUCING ENERGY DRYING PROCESS CEREAL SEEDS USE ELECTROPHYSICAL METHODS
Проанализированы способы снижения энергоемкости сушки зерна с использованием таких электрофизических методов, как наложение неоднородных электрических полей и электромагнитных полей высокой частоты (ВЧ) и сверхвысокой частоты (СВЧ), а также сушка семян озоно-воздушной смесью. По результатам исследований установлено снижение энергоемкости в 1,5-2,0 раза только от использования при сушке семян ячменя озоно-воздушной смеси.
Ключевые слова: электротехнология, зерновые культуры, сушка, градиент, температура, влажность, снижение энергоемкости.
Analyzed methods for reducing energy consumption of drying the grain using techniques such as electro overlay inhomogeneous electric fields and electromagnetic fields, the high frequency (HF) and ultrahigh frequency (UHF), and drying the seeds ozone-air mixture. According to research found in the reduction of energy consumption of 1.5-2.0 only use for drying barley seeds ozone-air mixture.
Key words: Electrotechnology, grain dryers, gradient, temperature, humidity, reduction of energy consumption.
Ксенз Николай Васильевич -
доктор технических наук,
профессор кафедры физики
Азово-Черноморский инженерный институт
Донского государственного
аграрного университета
г. Зерноград
Тел.: 8(86359) 41-6-56
Ksenz Nikolai Vasilyevich -
Doctor in Technical Sciences, Professor of Department of Physics Azov-Black Sea Engineering Institute Don State Agrarian University Zernograd
Tel.: 8(86359) 41-6-56
Шабанов Николай Иванович -
доктор технических наук,
профессор, зав. кафедрой безопасности
технологических процессов и производств»
Азово-Черноморский инженерный институт
Донского государственного
аграрного университета
г. Зерноград
Тел.: 8(86359) 42-5-75, 8-928-195-82-41
Shabanov Nikolai Ivanovich -
Doctor in Technical Sciences, Professor,
Head of Department of Safety technology
processes and production
Azov-Black Sea Engineering Institute
Don State
Agrarian University
Zernograd
Tel.: 8(86359) 42-5-75, 8-928-195-82-41
Сушка семян зерновых культур является одним из важных этапов подготовки их к хранению. В связи с этим в научных исследованиях и в практике значительное внимание уделяется вопросам эффективного протекания этого процесса. В структуре затрат на сушку зерна 68 % приходится на топливо и электроэнергию, 15 % - на амортизацию оборудования, 11 % - на заработную плату и 6 % - на прочие расходы [1, с. 21]. Таким образом, одной из важнейших составлявших эффективности процесса сушки, как видим, является экономия топлива и электроэнергии.
На рисунке 1 приведены способы, которые применяются в настоящее время для снижения энергоемкости процесса сушки как в нашей
стране, так и за рубежом. Эти способы можно разбить на следующие категории:
- направленные на повышение разности парциальных давлений над поверхностью материала и окружающей средой;
- реализующие повторное использование тепла отработанного теплоносителя, термоизоляцию каналов и воздуховодов сушильного агрегата;
- изменяющие структуру воды и водяных паров как в агенте сушки, так и в высушиваемом материале;
- удаляющие внутреннюю влагу за счет совмещения направлений градиентов концентрации влаги и температуры.
Способы первый и второй категории каждый в отдельности дают от 10 до 15 % эконо-
в
естник АПК
Ставрополья
:№ 2(14), 2014
Агроинженерия
49
мии энергии, но, как показывает практика, они исчерпали свои возможности и дальнейшее их совершенствование не дает существенного снижения энергоемкости процесса сушки. Совмещение направлений градиентов температуры и концентрации влаги достигается применением конвективно-высокочастотного или
конвективно-сверхвысокочастотного электромагнитного способа, что приводит к значительному увеличению скорости сушки. Однако громоздкое дорогостоящее оборудование электромагнитных устройств сдерживает применение этих способов в производственных условиях.
Повышение температуры сушильного агента и увеличение его расхода
Наложение неоднородных электрических полей
Сушка неподогретым воздухом в бункерах-зернохранилищах
СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ПРОЦЕССА СУШКИ ЗЕРНА
Герметизация и термоизоляция сушилки, каналов и воздуховодов
Регенерация тепла из отработанного теплоносителя
Сушка озоно-воздушной смесью
Исключение охладительных
устройств из сушильных
агрегатов (драйарация)
Предварительный подогрев зерна
Рециркуляция отработанного теплоносителя
Наложение электро-магнитных ВЧ- и СВЧ-полей
Рисунок 1 - Способы снижения энергоемкости процессов сушки зерна
Исследования по применению неоднородных электрических полей для интенсификации процесса сушки [2, с. 50; 3, с. 57] показали, что неоднородные электрические поля заметно влияют на процессы внутреннего массопе-реноса в капиллярно-пористых телах. Во влажных телах неоднородное электрическое поле влияет как на перенос пара, так и на перенос жидкой фазы. Это влияние тем заметнее, чем меньше градиент давления пара и жидкости в теле. Поэтому неоднородные электрические поля интенсифицируют массоперенос на конечной стадии сушки, когда градиенты давления внутри тела малы. С повышением температуры влияние неоднородных электрических полей на внутренний массоперенос уменьшается, так как снижается относительная диэлектрическая проницаемость, вязкость жидкости и увеличивается коэффициент диффузии.
К преимуществам данного способа интенсификации процесса внутреннего массопе-реноса можно отнести простоту и надежность электрических устройств. Однако исследованные неоднородные электрические поля имели напряженность, не приводящую к появлению коронного разряда. Это обстоятельство, на наш взгляд, значительно снижает эффективность неоднородных электрических полей, особенно при сушке больших масс материала.
С другой стороны, не рассматривался вопрос влияния неоднородных электрических полей на структуру воды, находящейся в телах, что также важно для понимания механизма интенсификации процесса массопереноса.
Поэтому рассмотрим эти вопросы применительно к семенам зерновых культур. Зерно по своей структуре коллоидно-пористое тело, в котором имеется свободная и связанная влага. При наличии свободной влаги зерно представляет собой систему с развитой межфазовой поверхностью. Следовательно, состояние воды и ее движение у межфазовой поверхности в значительной степени должно определяться двойным электрическим слоем, образующимся на поверхности раздела фаз, и его структурой [4, с. 281]. Слой воды, прилегающий к стенкам капилляров, приобретает электрический заряд, противоположный заряду стенок капилляров. Известно, что энергия частиц на поверхности раздела фаз отличается от энергии в глубине объема. Это приводит к межфазовому натяжению между соприкасающимися фазами. Связь между потенциалом ф стенок капилляра, плотностью заряда р и фазовым натяжением 5 характеризуется уравнением Липпмана
<^5 = -раф. (1)
Ежеквартальный вСТНИК АПК
научно-практический журнал
Из этой зависимости видно, что, изменяя потенциал стенки капилляра, можно менять величину межфазового натяжения. Так, увеличивая отрицательную поляризацию, можно привести стенки капилляров к такому состоянию, когда их положительный заряд относительно водного раствора исчезает. При этом плотность заряда станет равной нулю, что приведет к исчезновению ионного двойного слоя и к обеспечению максимального межфазового натяжения.
С другой стороны, вода относится к ассоциированным жидкостям, что определяет высокое значение теплоты ее испарения и низкое значение летучести [5. с. 318]. Высокая ассоциация воды образуется за счет импульсного взаимодействия молекул и водных связей.
Снизить теплоту испарения и увеличить летучесть воды можно нарушив ее дипольные связи за счет наложения электрического поля. При этом в неоднородном электрическом поле с градиентом ДЕ на дипольные молекулы будет действовать сила, равная
F = рвАЕ
(2)
где рв - дипольный момент молекулы.
Под действием этой силы к диффузионному потоку пара добавится конвективный поток
Рв = U ■ c
где U - скорость молекулы;
c - концентрация молекулы пара. Суммарный поток получается равным
(3)
q = qD + qB = D
dc dx
1 +
с . АЕ
К . T(-dc/dx)
(4)
При распаде озона, получающегося при коронном разряде, происходит значительное выделение энергии, которая идет на осушение агента сушки и соответственно на интенсификацию процесса сушки. Кроме этого, озон может быть использован для более качественного сжигания жидкого топлива в сушильных установках. С этой целью электроозонатор устанавливается в воздуховоде, по которому происходит подача воздуха на смешивание с распыленным жидким топливом. В этом случае сжигание горючих веществ осуществляется в атмосфере озоно-воздушной смеси, что создает возможность резкого ускорения сгорания и получения более высоких температур, чем при сжигании тех же веществ в кислороде атмосферного воздуха.
Экспериментальная проверка некоторых высказанных положений была проведена в лабораторных условиях при сушке семян ячменя при положительной и отрицательной полярностях коронного разряда (рис. 2). Так, при исходной влажности зерна 31 % и сушке атмосферным воздухом за восемь часов снизили влажность до 26 %, а при сушке озоно-воздушной смесью положительной полярности этой влажности достигли за три часа, т. е. в 2,7 раза быстрее. При отрицательной полярности озоно-воздушной смеси процесс ускоряется в 1,45 раза.
«г
где О - коэффициент диффузии пара;
К - постоянная Больцмана;
Т - температура.
Нарушение водородных связей в воде осуществляется за счет введения в воду ионов, которые образуются при коронном разряде, взаимодействуя с молекулами воды и координируя их вокруг себя, они создают свою гидратную оболочку. При этом нарушается структура воды, так как электростатическое поле иона разрушает водородные связи, что также приводит к снижению теплоемкости воды и увеличению диффузии влаги.
------ N s
4
1
-*-1.сушка атмосферным воз-
духом-1 ■♦•З.сушка атмосферным аоз-
духом-2 ■*-4.сушка озоно-воздушной смесью-2(отрицательная полярность) *2.сушка озоно-воздушной смесью-1(положительная полярность)
время сушки, ч
Рисунок 2 - Зависимости влажности зерна от времени сушки семян ячменя при положительной (1, 2) и отрицательной (3,4)полярности коронного разряда
Проведенные расчеты показывают, что удельный расход энергии при этом снижается в 1,42,0 раза. Таким образом, применение коронного разряда при сушке зерна озоно-воздушной смесью позволяет интенсифицировать этот процесс и значительно снизить его энергоемкость.
Литература
1. Шабанов Н. И., Липкович Э. И. Совершенствование процесса послеуборочной обработки зерна // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1990. № 9. С. 20-24.
2. Москевич А. С., Панченко М. С. Влияние электрического поля на внутренний мас-соперенос в дисперсных телах в процессе их сушки // Электронная обработка материалов. М., 1981. № 2. С. 50-51.
References
1. Shabanov N. I., Lipkovich E. I. Improving the process of post-harvest grain handling // Mechanization and electrification of agriculture. 1990. № 9. P. 20-24.
2. Moskevich A. S., Panchenko M. S. Effect of electric field on the internal mass transfer in particulate solids in the process of drying // Electronic Materials Processing. Moscow, 1981. № 2. P. 50-51.
3. Panchenko M.S., Karpovich M. N. Evaporation
в
естник АПК
Ставрополья
:№ 2(14), 2014
Панченко М. С., Карпович М. Н. Испарение воды их капиляров в неоднородном электрическом поле // Электронная обработка материалов. М., 1981. № 4. С. 5758.
Скаргаллетти В. В. Теоретическая электрохимия. М. : Госиздат, 1959. 608 с. Калинин Ф. Л. Основы молекулярной биологии. Киев : Высшая школа, 1978. 459 с.
Агроинженерия
51
of capillaries in a nonuniform electric field // Electronic Materials Processing. Moscow, 1981. № 4. P. 57-58.
Skargalletti V. V. Theoretical elektrohimiya. Moscow : Gosizdat. 1959. 608 p. Kalinin F L. Fundamentals of Molecular biologii. Kyiv : Higher school, 1978. 459 p.
