Исследование характера распределения и электромагнитного поля в поле действия экспериментальной СВЧ-вентиляционной установка для построения систем тепловой обработки зерна

Повышение требований к энергоэффективности оборудования сельскохозяйственного производства в настоящее время приводит к повышению интеллектуализации разрабатываемой техники и разработке новых технологических приемов реализации агротехнических процессов. При этом возрастает значение компьютерных технологий для ранних этапов проектирования [1-6]. В настоящее время совершенствование установок послеуборочной обработки зерна сопряжено не только с применением электрофизических воздействий, но и с разработкой режимов работы оборудования в условиях недостаточности данных. Зачастую исследователи ориентируются на применение обучающихся алгоритмов. Кроме того, необходима разработка систем контроля и накопления данных, позволяющих в дальнейшем совершенствовать алгоритмы и режимы работы оборудования.

Таким образом, целью исследования – разработать SCADA-систему лабораторной установки для сбора показаний процесса обработки зерна в поле действия источника микроволнового поля. 44

Материалы и методы исследования

В продолжение работ, проведенных в ранее, моделирование лабораторной установки и распределения электромагнитного поля в ней выполнялось в программном комплексе CST Microwave Studio. На рисунке 1 представлена трехмерная модель продуктопровода и формы рассматриваемых волноводов, разработанные в SolidWorks и импортированные в CST Microwave Studio с указанием материала элементов конструкции и продукта [7].

На рисунке 2 представлены результаты моделирования поглощения электромагнитной мощности зерновым материалом (пшеница W =16%) в процессе СВЧ нагрева (f= 2,45 ГГц). Для 2 а-в размер сечения продуктопровода 200 x 200 мм, для 2 г-е 200 x 200 мм.

а                      б                   в

1 – волновод; 2 – зерновой слой; 3 – продуктопровод; 4 – магнетрон Рисунок 1 – Трехмерная модель зоны СВЧ воздействия на зерно:

а – продуктопровод с волноводами для подвода СВЧ энергии; б – г – формы рассматриваемых волноводов

Моделирование проводилось для оценки распространения электромагнитного поля в объеме продуктопровода. В качестве оценки равномерности применялся коэффициент, представляющий собой отношение средней напряженности по объему камеры к максимальной напряженности. Аналогично данный коэффициент может быть рассчитан как квадратный корень отношения средней мощности, поглощаемой зерновым материалом в объеме продуктопровода к максимальной:

Q max

К = Е ср^ = / ^Emax   "М

=J

5,56-10 - ¹¹-E 2_? -f-£i-tg6

5,56^10^-11^E ^_ax ^f^£ftg6’

где Е ср , Е max – средняя и максимальная напряженности электрического поля, В/м; Q ср , Q max – средняя и максимальная мощность, выделяемая в диэлектрическом материале, Вт/м³; г¹ - действительная часть диэлектрической проницаемости материала на данной частоте;

tgS -тангенс угла диэлектрических потерь; f - частота поля, Гц.

Данный коэффициент может быть не только рассчитан на основе представленного моделирования, но и на основе экспериментальных измерений по контрольным точкам. Результаты расчета указанного коэффициента для приведенных размеров продуктопровода и 3-х видов применяемых волноводов (рисунок 1) представлен в таблице 1. Так как коэффициент зависит от плотности материала, то также приведены значения коэффициента для зоны, представленной на рисунке 2в при плотностях слоя 200, 500, 800 кг/м3.

а                             б                             в

г                                д                               е

Рисунок 2 – Результаты моделирования поглощения электромагнитной мощности пшеницей W=16% в процессе СВЧ нагрева f=2,45 ГГц

Таблица 1 - Расчетные значения коэффициента равномерности распространения электромагнитного поля в пшенице влажностью 16%

	Позиция на рисунке 2 / плотность зерна, кг/м3
	а / 800	б / 800	в / 800	г / 800	д / 800	е / 800	в / 200	в / 500	в / 800
К	0,1805	0,1696	0,1897	0,1574	0,1380	0,1456	0,2203	0,1908	0,1897

Для проверки и уточнения результатов компьютерного моделирования требуется экспериментальная проверка посредством лабораторного эксперимента. С этой целью необходима разработка конструкции лабораторной установки и системы контроля показателей.

В процессе разработки лабораторной установки необходимо предусмотреть возможность быстрого перестроения зоны СВЧ-конвективной обработки, применяемых волноводов, плотности заполнения продуктопровода материалом, направление подвода агента сушки, его подогрев и т.д. В качестве источников микроволновой мощности применяются магнетроны малой мощности с рабочей частотой 2450±50 МГц. В качестве применяемых волноводов используются, представленные ранее 3 варианта исполнения, исполненные на основе стандартного сечения 90 x 45 мм (ГОСТ 13317-89).

В итоге данная конструкция позволяет не только собирать различные конфигурации зоны обработки, но и обеспечивать мобильность и компактную транспортировку. Подогрев агента сушки может осуществляться в оребренными ТЭНами в плавном режиме, которые устанавливаются между вентилятором и камерой СВЧ-конвективной обработки. Примером исполнения лабораторной установки представлен в виде эскизов, представленных на рисунке 3. Для предотвращения перегрева магнетронов на каждый из них устанавливается вентилятор для охлаждения. Для защиты персонала от излучения предусматриваются экранирующие кожухи [8].

В центральной части зоны СВЧ-конвективной обработки может быть установлен продуктопровод (рисунок 3 б-г) различного диаметра (150, 100, 50 мм), позволяющий ограничивать объем обрабатываемого материала (коэффициента заполнения зоны СВЧ-конвективной обработки.

Рисунок 3 – Эскиз лабораторной установки

В процессе реализации лабораторных исследований будет происходить измерение не только снижения веса обрабатываемого материала, но и изменение температуры по объему зернового слоя. Измерение температуры может проводиться как термопарами через стандартные устройства сбора сигналов (МВА8, МВ110 и др.), так и оптическими датчиками температуры.

Контроль температуры производится на поверхности магнетронов, что позволяет предотвратить их перегрев; на входе воздуховода; на выходе слоя (совместно с измерением скорости посредством анемометра); по объему материала в заданном количестве точек контроля (от 1 до 20). Все данные в автоматическом режиме сохраняются с указание времени съема показаний. Далее данные могут быть выгружены в файл и подвергнуты дальнейшей обработке.

Результаты и анализ.

Экспериментальные исследования проводились для пшеницы с уровнями влажности 14, 16, 20, 24, 26 % и уровнями плотности слоя 800, 500, 200 кг/м3; ячменя с уровнями влажности 14, 16, 20, 24, 28 % и уровнями плотности слоя 700, 450, 200 кг/м3; овса с уровнями влажности 14, 16, 20, 24, 28 %; тритикале с уровнями влажности 14, 16, 20, 24, 28 % и уровнями плотности слоя 550, 400, 250 кг/м3 [9-10].

В качестве функции отклика будет рассматриваться фактор диэлектрических потерь. Первоначально предполагается исследование на пшенице с последующим расширением исследованием на другие культуры. В качестве факторов для проведения экспериментальных исследований рассматривались: влажность зерна, W , % и плотность зернового слоя, р, кг/м³. Уровни варьирования факторов приведены в таблице 2.

Полученные результаты для разных плотностей материала соответствуют общей динамике, но значительно отличаются по уровню. Так, для плотного слоя пшеницы, что соответствует плотности 800 кг/м³ в диапазоне влажностей 11 ^ 30% коэффициент диэлектрических потерь изменяется в диапазоне 0,18 ^ 0,42; для псевдоожиженного слоя (500 кг/м³) 0,06 ^ 0,15; для взвешенного (200 кг/м³) 0,1 ^ 0,3. Достоверность данных для разных уровней плотности существенно отличается, так как в плотном слое погрешность обуславливается применяемыми датчиками, а также наличием воздушных промежутков в слое; для псевдоожиженного и взвешенного слоев помимо указанных добавляются потери, обусловленные тепловым взаимодействием воздуха с зерновым слоем и датчиком. Повысить качество измерений возможно за счет применения датчиков, на которые не действует микроволновое поле, например, оптические, а также изменением способа обеспечения требуемого слоя, например, механическим.

Таблица 2 - Уровни факторов варьирования

№	W , %	ρ , кг/м3	№	W , %	ρ , кг/м3	№	W , %	ρ , кг/м3
1	14	800	6	14	500	11	14	200
2	16	800	7	16	500	12	16	200
3	20	800	8	20	500	13	20	200
4	24	800	9	24	500	14	24	200
5	26	800	10	26	500	15	26	200

Полученные данные о зависимости коэффициента диэлектрических потерь зернового слоя от влажности и плотности зернового слоя могут быть аппроксимированы полиномом второй степени вида:

s" = b₀ + b 1 • W + b 2 • p₃ + b₃ • W² + b 4 • p² + b 5 • W • p₃, (2) где b 0 , b 1 , b 2 , b 3 , b 4 , b 5 – коэффициенты пропорциональности.

Значения коэффициентов b 0 , b 1 , b 2 , b 3 , b 4 , b 5 полиномиальной модели для данных, соответствующих результатам экспериментальных исследований фактора диэлектрических потерь зернового слоя, приведены в таблице 3.

Помимо указанных закономерностей отмечено отличие диэлектрических свойств зернового материала, измеряемых до обработки микроволновым полем и после прохождения зоны СВЧ-конвективного воздействия. Так при снижении влажности материала с 18 до 15 %, коэффициент диэлектрических потерь соответствует аналогичному показателю для зерна влажностью 17%, не подвергавшемуся воздействию. Спустя некоторое время для этого же материала коэффициент диэлектрических потерь принимает значения, характерные для материала, не подвергавшегося СВЧ обработке аналогичной влажности. Это можно связать с изменением состояния связи влаги, находящейся в зерновом слое. Как отмечалось ранее, в процессе обработки микроволновым полем происходит диффузия влаги на поверхностные слои и капилляры зерновки. Это свойство может быть использовано при дальнейшей разработке режимов управления оборудованием СВЧ-конвективной обработки. Однако, требуются дальнейшие исследования указанных свойств.

Таблица 3 - Анализ причин повреждений воздушных линий напряжением 10 кВ

Материал	b 0	b 1	b 2	b 3	b 4	b 5	SSE	R2	RMSE
Пшеница	0,4232	0,3525	1,042	0,03711	0,3813	0,7108	0,6609	0,9549	0,2710
Ячмень	0,562	0,3329	0,08991	0,06301	0,05348	-0,0114	0,0024	0,9987	0,0164
Овес	0,5041	0,2005	0,001605	0,03722	-0,0528	0,03904	0,07621	0,8968	0,0920
тритикале	0,5852	0,3525	0,6362	-0,003194	0,2487	0,3868	0,1801	0,9808	0,1414

При проведении исследований работы СВЧ-конвективного модуля рассматривались режимы, представленные в таблице 4. Так изменялись режим работы источников СВЧ-мощности: 0 – без использования СВЧ; ½ - в процессе обработки источники СВЧ-мощности работали с перерывами (при этом реализовывался режим 10 с СВЧ – 10 с без использования СВЧ); ¼ - в процессе обработки источники СВЧ-мощности работали с перерывами (при этом реализовывался режим 5 с СВЧ – 15 с без использования СВЧ).

Таблица 4 - Параметры лабораторного эксперимента

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9
СВЧ	0	0	0	1/4	1/4	1/4	1/2	1/2	1/2
Т возд , ° С	20	30	40	20	30	40	20	30	40

В таблице 5 представлены средние энергозатраты на сушку пшеницы с 20 до 14%, полученные в результате лабораторных испытаний при указанных режимах. Так же стоит принять во внимание то, что применение импульсных режимов воздействия СВЧ аналогичны подогреву агента сушки.

Таблица 5 - Средние энергозатраты на сушку пшеницы с 20 до 14%

Режим	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Затраты на сушку, МДж/кг исп.вл.	6,17	6,8	8,57	6,1	7,59	4,64	4,36	3,74	3,4
Время сушки, мин	180	145	135	110	130	60	65	50	35
Доля, приходящаяся на СВЧ нагрев, %	0	0	0	31	24	20	47	39	33
Доля, приходящаяся на подготовку агента сушки, %	40	57	67	28	43	53	21	35	45
Доля, приходящаяся на вентиляцию, %	60	43	33	41	33	27	32	26	22

Эти результаты позволяют доработать разработанные модели управления оборудованием и реализовывать управление процессом обработки по заданным критериям оптимальности.

Выводы

Исходя из вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

• 1.    Разработку моделей оптимального управления целесообразно производить по критериям минимальных энергозатрат и минимальному времени сушки с учетом граничных условий. В зависимости от выбранного режима работы оборудования источников микроволнового поля и подготовки агента сушки позволяет сократить энергозатраты на сушку в 1,7-2,4 раза либо значительно сократить время процесса сушки.

• 2.    Режимы работы оборудования для проведения тепловой обработки зерна (прежде всего сушки), определяющиеся целевыми функциями по заданному критерию эффективности, при этом реализация управления по минимуму энергозатрат обеспечивает снижение энергоемкости сушки зерна в областях близких к кондиционной до 3,4 МДж на испарение килограмма влаги, а по критерию минимального времени сушки обеспечивается снижение времени сушки на 42%.

RESEARCH OF THE CHARACTER OF DISTRIBUTION AND ELECTROMAGNETIC FIELD IN THE FIELD OF ACTION OF AN EXPERIMENTAL MICROWAVE VENTILATION UNIT FOR CONSTRUCTION OF HEAT TREATMENT SYSTEMS

⁵⁰ Агротехника и энергообеспечение. – 2021. – № 1 (30)

D.A. Budnikov, Cand. tech. sci.

Federal Scientific Agroengineering Center VIM, Moscow, Russia