Experimental substantiation of the stimulation pameters of the grain convective drying by rf-radiation

Full Text

Установки промышленной сушки товарного зерна имеют широкое применение на объектах АПК [1, 2, 3]. Преимущественно их работа основана на получении сушильного агента путем сжигания углеводородного сырья и последующего направленного обдува продукта теплым воздухом. Существенными недостатками такого способа являются достаточно высокая энергоемкость процесса сушки, неравномерность сушки по объему зерновой массы и по сечению зерновки, а также низкая экологичность [4, 5, 6].

Если рассмотреть физику процесса сушки на уровне зерновки, то скорость обезвоживания и энергоемкость процесса будут обусловлены направлениями градиентов (grad θ и grad w) температурного поля и влагопереноса (рис. 1а). Для конвективной сушки эти градиенты направлены навстречу друг другу, что приводит к пересыханию внешних слоев семени и создает препятствие для проникновения энергии (Q_К) сушильного агента к внутреннему объему семени [7, 8]. В результате при малых значениях влажности энергоемкость (R) процесса сушки резко возрастает, а скорость сушки (dm/dt) снижается (рис. 1 б).

 

Рис. 1. Конвективная сушка зерна: а – схема конвективного воздействия на зерно; б – изменения скорости и энергоемкости процесса.

 

В связи с этим необходим поиск способа извлечения влаги, имеющего мало меняющиеся параметры сушки во всем диапазоне влажности продукта. На основании проведенного анализа был выбран микроволновый нагрев, обладающий рядом преимуществ по сравнению с конвективным [9–11]. Энергия микроволнового поля действует в местах сосредоточения связанной влаги внутри семени, и за счет капиллярных явлений влага перемещается к внешним слоям семени. При таком механизме нагрева внешний слой остается всегда влажным, что способствует эффективному испарению влаги в окружающую среду. Очевидно, что при этом градиент температурного поля станет значительно меньшим по модулю по сравнению с конвективным методом, а возможно, поменяет направление и станет сонаправленным с градиентом влагопереноса.

Однако для генерации микроволновой мощности требуется большое количество электроэнергии. Обеспечить электроснабжение СВЧ-установок для сушки зерна в условиях сельскохозяйственного производства представляется трудновыполнимой задачей. Смоделируем процесс промышленной СВЧ-сушки зерна. Возьмем шахтную зерносушилку производительностью 50 т/ч и будем полагать, что начальная влажность зерна до сушки составляла 25 %. За один проход зерна через установку сушки зерно приобретает влажность 14 %, что соответствует ГОСТу на хранение. Энергоемкость процесса условно возьмем по среднему показателю для процессов конвективного обезвоживания – 2,5 кВт∙ч/кг по влаге, которую надо удалить. Соответственно, ее масса будет составлять 5500 кг и для реализации процесса СВЧ-сушки потребуется электрическая мощность 10…12 МВт, что является неприемлемой величиной для сельскохозяйственного производства, где трансформаторные подстанции 10/0,4 кВ рассчитаны на мощность до 1 МВт, кроме того, от них запитаны и другие потребители. В связи с этим обеспечить сушильный процесс за счет энергии микроволнового поля представляется невыполнимой задачей. Кроме того, генераторы микроволновой энергии такой мощности не выпускаются серийно, работают в импульсном режиме и крайне дороги в производстве и обслуживании [12, 13].

На основании теоретических исследований перспективным представляется механизм интеграции в процесс конвективной сушки небольших доз микроволновой энергии – насколько позволяют условия местного электроснабжения – с целью создания градиента температурного поля необходимой направленности внутри семени. Такой способ относительно легко реализуем, так как можно использовать необходимое количество бытовых источников СВЧ-мощности магнетронного типа. Они выпускаются серийно, имеют невысокую стоимость и в зависимости от производительности зерносушилки могут комплектоваться до требуемых уровней энергии.

Организация комбинированного процесса сушки очевидно может осуществляться двумя способами: параллельно, то есть и конвективная и микроволновая энергия действуют на продукт одновременно и последовательно – на продукт сначала действует микроволновое излучение, создавая требуемый градиент температурного поля, а затем происходит досушивание посредством конвективного обдува. Второй способ, по-видимому, более предпочтительный, поскольку встроить источники микроволновой мощности в типовые сушильные камеры конвективных установок трудноосуществимо ввиду большого количества металлических конструкций внутри [14, 15].

Проведенные предварительные расчеты показывают, что при такой конфигурации сушильного процесса количество потребляемой электроэнергии должно быть в 15…20 раз ниже, чем в случае чисто микроволновой сушки. Это делает внедрение в сушильный процесс на установках конвективной сушки средств генерации микроволновой энергии перспективной задачей с целью снижения потребления энергоносителей, повышения качества сушки зерна и экологичности сушильного процесса.

Цель исследования – снижение энергоемкости процесса промышленной сушки зерна, которая сопровождается снижением потребления углеводородных носителей энергии.

Методика. Принципиальная возможность достижения поставленной цели обусловлена тем, что с физической точки зрения применяемая повсеместно конвективная сушка зерна нерациональна по удельным энергозатратам. Для процесса сушки в пределах диапазона влажностей от 28 до 14 % характерны ограничения по тепло- и влагопроводности зерновки, приводящие к 12…15-кратному превышению величины энергозатрат над физическим пределом – 0,73 кВт∙ч/кг [1, 2].

Лабораторная установка сушки комбинированного типа состояла из секции для подачи энергии СВЧ-поля (рис. 2а). Профиль секции был выбран желобкового типа с целью максимально равномерного распределения электромагнитного поля внутри секции. Кроме того, это давало возможность пропустить через секцию металлическую цепь транспортера, проходящего по низу отверстия подачи продукта. Как распределяется поле внутри сушильной камеры, показано на рис. 2в, а сам профиль секции – на рис. 2б. На краях секции расположен специальный раструб с фланцами для присоединения магнетронных источников с двух сторон и перехода волновода сечением 45×90 мм на 450×900 мм. Через желобковый волновод посредством цепного транспортера перемещался сушимый продукт, располагающийся на лотках «прозрачных» для микроволнового поля и открытый для проникновения потоков теплого воздуха. Цепной транспортер проходил через камеру в том месте, где поле отсутствовало, – ввиду конструктивных особенностей (рис. 3). После облучения микроволновым полем в желобковом волноводе продукт на лотках, посредством цепного транспортера, перемещался в секцию конвективного обдува, где за счет мощного калорифера происходило конвективное досушивание.

 

Рис. 2. Электродинамическая система для нагрева зерна микроволновым полем: а – секция сушки на основе желобкового волновода (1 – фланцы с внутренним сечением 90×45 мм для подсоединения магнетронных источников, 2 – желобковый волновод, 3 – отверстие для размещения сушимого продукта); б – профиль желобкового волновода; в – распределение поля по сечению желобкового волновода.

 

Рис. 3. Технологическая схема экспериментальной установки для комбинированной сушки зерна: 1 – транспортер; 2 – камера конвективного обдува; 3 – сушильная камера на базе желобкового волновода; 4 – ослабитель; 5 – магнетрон; 6 – лотки с зерном; 7 – калорифер; 8 – камера поглощения.

 

При постановке эксперимента были использованы типовые магнетронные генераторы СВЧ-энергии мощностью 600…700 Вт и частотой генерации микроволнового поля 2,45 ГГц. Такая частота кратна собственной частоте колебаний диполей связанной влаги, поэтому достаточно легко входит в резонанс кратных по частоте гармоник и способствует эффективному поглощению энергии поля продуктом сушки. Поскольку при проведении эксперимента требовалось плавное изменение СВЧ-мощности, подаваемой в камеру сушки, были использованы ослабители микроволновой энергии, представляющие пластинчатые аттенюаторы, встроенные в стандартные волноведущие системы прямоугольного сечения 90×45 мм. Посредством панорамного измерителя коэффициента стоячей волны были выявлены положения гасящих поле пластин для последующего подвода энергии СВЧ-поля в сушимую камеру, где можно было регулировать затухание СВЧ-мощности на величину от 8 до 15 дБ. Тогда мощность от одного источника может варьироваться от 20 до 100 Вт. При подаче энергии с двух сторон – соответственно 40 и 200 Вт. Теперь стало возможным изменять в требуемом диапазоне соотношение СВЧ и конвективной мощности так, как этого требует эксперимент 1…5 %.

В качестве варьируемого диэлектрического заполнения поглощающей СВЧ-поле нагрузки использовался набор металлических пластин, расположенных торцом к фронту волны, устанавливаемых в исходном положении в минимуме высокочастотного поля, то есть у боковой стенки волновода прямоугольного сечения. Механически они перемещались в направлении нарастания поля, при этом каждому определенному положению нагрузок соответствовала своя определенная величина затухания, а следовательно, и мощность выходящего из него потока СВЧ-энергии, поступающей далее в секцию микроволнового нагрева экспериментальной установки.

Сушимый продукт – зерно пшеницы с исходной влажностью 26…28 % и массой 3 кг – располагался равномерным слоем на лотке, «прозрачном» для СВЧ-мощности, а также свободно продуваемый потоком теплого воздуха в направлении снизу вверх. Начальная влажность зерна определялась термогравиметрическим методом (ГОСТ Р 8.633-2007), после чего исходя из отделения массовой доли влаги определялась конечная влажность и влажность на разных этапах сушки. Для контроля температуры продукта сушки внутри слоя зерна располагался датчик – термопара, соединенная с цифровым мультиметром. Продукт мог перемещаться на цепном транспортере посредством электропривода и имитировать различные режимы сушки – от чисто конвективного до комбинированного с различной дозой облучения микроволновым полем.

Исследование по сушке зерновой продукции проводилось двумя сериями экспериментов. В начале эксперимента сушка осуществлялась исключительно конвективным методом. Это значит, что продукт подвергался воздействию мощного потока теплого воздуха, который поступал из специального нагревательного элемента мощностью 5 кВт. Периодичность контроля массы продукта составляла 2,5 минуты. Лоток с продуктом взвешивался на весах, и по результатам измерений строился график зависимости массы продукта от времени сушки. Эксперимент продолжался до тех пор, пока влажность зерна не достигала примерно 12 %, что соответствует стандарту хранения зерна. Во второй серии экспериментов на аналогичный образец зерновой навески с влажностью 25…28 % и массой 3 кг воздействовали тепловым потоком, аналогичным по параметрам, и СВЧ-излучением. Мощность излучения регулировалась с помощью ослабителей в диапазоне от 5 до 1 % относительно мощности нагревательного элемента.

Для каждого уровня СВЧ-излучения 5 и 1 %, воздействующего на зерно вместе с конвективным тепловым потоком, проводились измерения, аналогичные тем, что были сделаны на первом этапе. Результаты опытов представлены на рис. 4.

 

Рис. 4. Экспериментальные зависимости массы продукта m от времени сушки t при воздействии на него только теплового конвекционного потока (1), с добавлением 1 % СВЧ-энергии (2), с добавлением 5 % СВЧ-энергии (3): а – рожь (m = 3 кг); б – пшеница (m = 3 кг); в – пшеница (m = 7 кг c перемешиванием).

 

Зависимость снижения массы (m) сушимого продукта при воздействии 2 % микроволновой энергии от тепловой на рис. 4 не представлена, так как она практически повторяет зависимость для 1 % воздействия. Аналогичные эксперименты были проведены с рожью и с пшеницей массой 7 кг (рис. 4в). В процессе взвешивания продукт перемешивали. Это было необходимо, чтобы создать условия сушки, схожие с теми, которые используются в промышленных конвективных зерносушилках – в шахтных сушилках зерно проходит между коробов, расположенных в шахтном порядке, а в барабанных перемешивается ввиду вращения барабана.

Результаты и обсуждение. Так как целью исследования было выявление возможности снижения энергоемкости по сравнению с конвективной сушкой, то наглядно результаты были представлены в виде зависимостей снижения массы продукта от времени сушки. Были проведены эксперименты для зерен пшеницы и ржи с начальной массой 3 кг и толщиной слоя 4 см. При этом продукт располагался на лотке неподвижно. При проведении эксперимента для зерен пшеницы массой 7 кг и соответственно слоем 12 см во время взвешивания продукта происходило его перемешивание для улучшения условий тепло- и влагообмена. Каждая серия экспериментов соответствовала определенному режиму сушки, который реализуется на промышленных зерносушилках. Результаты, представленные на рис. 4, были использованы для определения энергозатрат при сушке зерна в заданном диапазоне влажности. Для этого была применена методика, описанная ниже. Сначала определялась влажность зерна (w) в процентах. Затем рассчитывалась масса сухого остатка (m_C) в составе исходной массы (m₀) экспериментального слоя зерна:

$m_c=\frac{100m_0}{100+w}$. (1)

Массы в начале (m₂₀) и в конце (m₁₂) процесса уменьшения содержания влаги в зерне, соответствующие значениям влажности 20 % и 12 %, были рассчитаны с помощью следующих формул:

$m_{20}=\frac{120m_0}{100+w}$; (2)

$m_{12}=\frac{112m_0}{100+w}$. (3)

Далее по кривой убывания влажности определялись значения времени t₁₂ (соответствующее значению массы m₁₂) и t₂₀ (соответствующее значению массы m₂₀) и общее время прохождения указанного интервала влажностей:

$∆t=t_{12}-t_{20}$. (4)

После этого можно определить суммарные затраты энергии:

$R_{\Sigma }=\frac{(P_k-P_{СВЧ})∆t}{m_{20}-m_{12}}$, (5)

где P_К – мощность калорифера; P_СВЧ – суммарная мощность двух магнетронных источников.

Представим экспериментальные результаты с помощью зависимости энергозатрат R_Σ от доли энергии, получаемой от СВЧ-излучения P_СВЧ / Р_К (рис. 5).

 

Рис. 5. Зависимости общей энергоемкости R_Σ от доли СВЧ-энергии (а) и ее первой производной R_Σ / d(P_СВЧ / Р_К) (б) от величины соотношения P_СВЧ / Р_К: 1 – рожь (m = 3 кг); 2 – пшеница (m = 3 кг); 3 – пшеница (m = 7 кг c перемешиванием).

 

В случае начальной массы продукта 3 кг без перемешивания выявлено существенное уменьшение затрат энергии при добавке в процесс конвективной сушки доз микроволновой энергии на уровне 1…5 % от тепловой. Если дальше продолжать увеличивать долю микроволновой энергии, то динамика уменьшения потребления энергии снизится ввиду увеличивающегося потребления электрической энергии.

С целью детального изучения динамики процесса снижения энергопотребления при добавлении в процесс конвективной сушки малых доз микроволновой энергии были построены зависимости:

$\frac{d{R}_{\Sigma }}{d(P_{СВЧ}/{Р}_{к})}=f\left(\frac{P_{СВЧ}}{{Р}_{к}}\right)$. (6)

Из анализа результатов исследования, представленных графически, установлено, что при малых дозах энергии СВЧ от 1 до 5 % от тепловой она формирует существенное влияние на повышение скорости сушки, а следовательно, и на снижение энергозатрат.

Замедление динамики сушки и снижения потребления энергии при увеличении дозы микроволновой энергии, возможно, объясняется тем, что при близких по воздействию на влагообмен, но противоположных по направлению градиентах температурного поля и массопереноса небольшое изменение термоградиента за счет СВЧ-воздействия приводит к существенному повышению скорости влагопереноса.

В условиях, когда температурные градиенты, формируемые конвективными процессами, становятся соизмеримыми или даже меньшими по величине с градиентами, генерируемыми микроволновым излучением, эффективность снижения энергозатрат при конвективном обезвоживании начинает существенно снижаться с увеличением модуля данного градиента. Это явление обусловлено тем, что при достижении определенного уровня температурного градиента конвективные механизмы теряют свою доминирующую роль в процессе теплопередачи, уступая место более равномерному распределению тепла, характерному для микроволнового воздействия. В результате дальнейшее повышение интенсивности микроволнового излучения не приводит к пропорциональному увеличению эффективности обезвоживания, что требует более детального анализа и оптимизации параметров процесса для достижения максимальной энергоэффективности.

Выводы. В результате исследований установлено, что использование низкоинтенсивного электромагнитного поля СВЧ-диапазона для конвективной сушки зерновой продукции ведет к снижению энергопотребления, затраченного на процесс обезвоживания, за счет изменения величины и знака градиента температурного поля внутри зерновки. При воздействии на сушимый продукт только конвективной тепловой энергии энергоемкость процесса сушки составляла от 8,5 до 9,5 кВт, что соответствует величине для типовых промышленных зерносушильных агрегатов. При добавлении 1 % СВЧ мощности от тепловой в процесс сушки, энергоемкость снижается до значений 6,8…7,8 кВт∙ч/кг по испаренной влаге, а и при 5 % – от 6,2 до 7,0 кВт∙ч/кг. Таким образом, в среднем снижение энергопотребления составило 19…27 %. Выявленный эффект при добавлении малых доз микроволновой энергии в процесс сушки зерна свидетельствует о перспективности использования маломощного микроволнового излучения на установках промышленной сушки зерна.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ.

Данная работа финансировалась за счет средств бюджета института (учреждения, организации). Никаких дополнительных грантов на проведение или руководство данным конкретным исследованием получено не было.

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ.

В данной работе отсутствуют исследования человека или животных.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ.

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

About the authors

E. A. Chetverikov

Russian State Agrarian University – Moscow Timiryazev Agricultural Academy

Author for correspondence.
Email: e.chetverikov@rgau-msha.ru

кандидат технических наук

Russian Federation, Moskva

A. G. Arzhenovsky

Russian State Agrarian University – Moscow Timiryazev Agricultural Academy

Email: e.chetverikov@rgau-msha.ru

доктор технических наук

Russian Federation, Moskva

E. A. Shabaev

Russian State Agrarian University – Moscow Timiryazev Agricultural Academy

Email: e.chetverikov@rgau-msha.ru

кандидат технических наук

Russian Federation, Moskva

V. N. Belenov

Russian State Agrarian University – Moscow Timiryazev Agricultural Academy

Email: e.chetverikov@rgau-msha.ru

кандидат технических наук

Russian Federation, Moskva

References

Supplementary files