Экспериментальное исследование электрофизических свойств свёклы в процессах сушки ИК-излучением

Введение. Технологические процессы по обработке сельскохозяйственной продукции с применением ИК-излучения существенно влияют на характеристики получаемого сырья. Качество продукции определяется совокупностью свойств, которые обуславливают её пригодность к удовлетворению потребности населения. Поэтому возникает необходимость в разработке таких режимов ИК-энергоподвода, которые бы оказывали положительное воздействие на все компоненты продукта в течение определенного времени при заданной температуре. Однако слишком высокая температура или слишком большая выдержка могут привести к пересыханию сырья, а значит, и к недопустимому снижению качества продукции.

В ходе изучения данного вопроса основной упор сделан на выбор эффективных режимов ИК-энергоподвода с учётом изменения электрофизических свойств данного корнеплода. Выбор именно свёклы обусловлен рядом факторов. Во-первых, эта культура является наиболее приспособленной для выращивания в Сибирском регионе, во-вторых, корнеплод является скоропортящимся, поэтому процесс его переработки и хранения требует значительных усовершенствований.

Исследование электрофизических параметров продуктов растительного происхождения показало необходимость измерения удельного электрического сопротивления (удельной электрической проводимости) в процессе проведения сушки обрабатываемых образцов. Данные экспериментальных исследований представляют большое значение при нахождении взаимосвязи электрофизических свойств с параметрами ИК-энергоподвода [1].

Цель исследований . Разработка эффективных режимов ИК-энергоподвода на основе электрофизических свойств корнеплодов свёклы с целью улучшения качественных показателей исследуемого продукта.

Задачи исследований: провести анализ методов для определения электрофизических свойств исследуемого корнеплода; разработать методику определения электрофизических свойств корнеплода; разработать алгоритм определения эффективных режимов тепловой обработки корнеплода; на основе полученных данных произвести выбор эффективных режимов ИК-энергоподвода.

Материалы и оборудование. Для определения электрофизических свойств корнеплода используется сорт свёклы Бордо 237. Установка для сушки ИЛ-3М с применением различных ИК-излучателей; цифровые весы «Polaris»; лазерный пирометр IR-350 «INFRAROT»; вымытые и очищенные образцы корнеплода нарезают соломкой 3×3×30 мм. на промышленной овощерезке; ящик с понижающим трансформатором типа ЯТП-0,25-220/12; мегомметр ЭС0202/2-Г; мультиметр «Mastech 830L», медицинские иглы в качестве зондовых контактов, которые расположены на специальной подставке. Также использовались образцы высушенного корнеплода, находящиеся на хранении в лаборатории кафедры «Энергообеспечение и теплотехника» ИрГАУ им. А.А. Ежевского.

Проведённый анализ методов по определению электрофизических свойств корнеплода показал, что наиболее подходящим для проведения данных экспериментальных исследований является четырёхзондовый метод измерения удельного сопротивления [2]. Достоинствами метода являются возможность получения замеров с высокой точностью и простота строения средств измерения. Применение четырёхзондового способа измерения не требует создания токовых омических контактов, поэтому определение удельного сопротивления применимо к образцам с разнообразными геометрическими параметрами. Главным условием применения данного способа измерения является наличие плоской части на поверхности образца, размеры которой превышают размеры системы зондов [2, 3]. Схема измерения удельного сопротивления четырёхзондовым методом представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема измерения удельного сопротивления четырёхзондовым методом

На поверхности исследуемого измельченного продукта линейно размещают четыре зондовых контакта. Через пару контактов ( 1 и 4 ) пропускается переменный ток напряжением 12 В. Внутренние контакты 2 и 3 необходимы для измерения разности потенциалов. Расчёт удель-

Расстояния между контактами в ходе эксперимента равны (0,5 см), поэтому расчётная формула упростится

U ρ = _I

∙

2π

11   1

U 2π U

US

ного сопротивления (Ом·см) производится следующей формуле:

по

Ѕ 1 ^- Ѕ 2 + Ѕ 3^- Ѕ 1 + Ѕ 2⁺ Ѕ 3       Ѕ ^- Ѕ

₁ = _I ∙_{2  1} = _I ∙2π S = _I ∙    . (2)

U ρ = _I

∙

2π

1          1              1             1 ^,

Ѕ 1 ^- Ѕ 2 + Ѕ 3^- Ѕ 1 + Ѕ 2⁺ Ѕ 3

где S 1 , S 2 , S 3 – расстояния между контактами, см.

Множитель F L может принимать разные значения в зависимости от применения разных пар контактов для пропускания тока и измерения разности потенциалов. Значения множителя F L при возможных вариантах включения токовых и потенциальных контактов приведены в таблице 1 [4].

Таблица 1

Контакты		Значения множителя F L
токовые	потенциальные
1–4	2–3	2π
2–3	1–4	2π
1–3	2–4	3π
2–4	1–3	3π
1–2	3–4	6π
3–4	1–2	6π

Значения множителя F L при возможных вариантах включения токовых и потенциальных контактов

Наиболее часто используются первые две схемы включения, так как они гарантируют наибольшее регистрируемое напряжение, поэтому в ходе эксперимента акцент сделан на них [5].

Для осуществления замеров используется принципиальная электрическая схема проведения эксперимента, показанная на рисунке 2.

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема проведения эксперимента: 1 – понижающий трансформатор; 2 – измельчённый образец корнеплода;

3 – мультиметр

В ходе проведения предварительных замеров были получены первичные результаты: сопротивление высушенных образцов свёклы составило 10³ МОм, сырых 0,02 МОм. При пропускании переменного электрического тока напряжением 12 В через пару контактов ( 1 и 4 ) была получена разность потенциалов 5–7 В между внутренними контактами ( 2 и 3 ).

Вымытые и очищенные образцы свёклы сорта Бордо 237 нарезают соломкой 3×3×30 мм на промышленной овощерезке (рис. 3).

Далее образцы корнеплода разбивают по навескам массой 40 грамм. Общая масса навески с подставкой составила 196 грамм. Эксперимент проводится с применением экспериментальной установки «ИЛ-3М». Технологическая схема установки приведена на рисунке 4. Каркас установки выполнен из нержавеющей стали толщиной

2 мм, который покрыт антикоррозионной краской. Для наименьших тепловых потерь камера ИК-облучения защищена термоизоляционным материалом на асбестовой основе, который покрыт светоотражающим лаком. В нижней части установки расположен тумблер питания излучателя и вольтметр. Процесс сушки осуществляется в ручном режиме. Регулирование подвода инфракрасного излучения производится за счёт применения различных режимов ИК-энергоподвода с заданной цикличностью, а также за счёт изменения высоты подвеса излучателя.

В процессе проведения эксперимента используются три типа ИК-излучателей, общий вид которых представлен на рисунке 5.

Рис. 3. Общий вид промышленной овощерезки

Рис. 4. Технологическая схема экспериментальной установки «ИЛ-3М»:

1 – ИК-облучатель; 2 – подвижная часть со смотровым окном; 3 – вольтметр;

4 – механизм регулирования высоты подвеса излучателя;

5 – тумблер питания

Следует отметить, что эксперимент проводится с учётом определённой цикличности ИК-энергоподвода в трёх вариантах: с повышением, с понижением, с постоянным уровнем ИК-энергоподвода в течение 60, 90 и 120 минут. После каждого рабочего цикла производятся замеры рабочей температуры образцов (t раб , °C) с помощью лазерного пирометра IR-350 «INFRAROT», массы (m, г) при помощи цифровых весов «Polaris», сопротивления (R, МОм) с использованием мегомметра ЭС0202/2-Г и мультиметра «Mastech 830L».

В ходе проведения эксперимента были проанализированы получившиеся значения с использованием разработанного алгоритма для выбора эффективных режимов ИК-энергоподвода (рис. 6). Наиболее оптимальные значения в процессе сушки получились при использовании импульсного керамического ИК-излучателя при повышении уровня ИК-энергоподвода в течение 120 минут, поэтому данный режим с использованием излучателя ECS-2 принят как эффективный. Результаты эксперимента представлены в таблице 2.

Рис. 5. Общий вид ИК-излучателей: а – кварцевый излучатель QP-2 (P=250 Вт, λ=2,2 мкм); б – импульсный керамический излучатель ECS-2 (Р=250 Вт, λ=3,6 мкм);

в – лампа ИКЗК (Р=250 Вт, λ=1,5 мкм)

Рис. 6. Алгоритм проведения экспериментальных исследований по определению эффективных режимов ИК-энергоподвода

Таблица 2

Данные эксперимента при повышении уровня ИК-энергоподвода в течение 120 минут

Время, мин	Вид излучателя
	ИКЗК		ECS-2		QP-2
	R, МОм	W, %	R, МОм	W, %	R, МОм	W, %
1	2	3	4	5	6	7
1	0,02	87	0,02	87	0,02	87
3	0,02	87	0,02	87	0,02	87
13	0,03	82	0,04	82	0,03	82

Окончание табл. 2

1	2	3	4	5	6	7
24	0,03	82	0,04	82	0,03	82
34	0,04	77	0,05	77	0,04	77
45	0,05	72	0,05	77	0,04	77
55	0,05	72	0,06	72	0,05	72
66	0,06	67	0,06	67	0,06	67
76	0,07	62	0,06	67	0,06	67
87	0,07	62	0,07	62	0,07	62
97	0,08	57	0,07	62	0,07	62
108	0,09	52	0,1	52	0,08	57
118	0,1	47	0,11	47	0,09	57

Цикличность эксперимента с повышением уровня ИК-энергоподвода в течение 120 минут имеет следующий вид:

• 1    – 1-й цикл: 3 минуты работа – 7 минут пауза;

• 2    – 2-й цикл: 4 минуты работа – 6 минут пауза;

• 3    – 3-й цикл: 5 минут работа – 5 минут пауза;

• 4    – 4-й цикл: 6 минут работа – 4 минуты пауза;

• 5    – 5-й цикл: 7 минут работа – 3 минуты пауза;

• 6    – 6-й цикл: 8 минут работа – 2 минуты пауза.

Значение начальной влажности свёклы принято 87 % [6]. Расчёт изменения влажности (%)

в ходе эксперимента производится по следующей формуле:

М-М w = Wo - (-ЮО)’      (3)

M О где Wo - начальная влажность корнеплодов свёклы, %; М – общая масса подставки с навеской до сушки, г; Мп - общая масса подставки с навеской после сушки, г; Мо - масса навески, г.

По полученным данным построены зависимости W=f(R) , которые представлены на рисунке 7.

Рис. 7. Сушка с повышением уровня ИК-энергоподвода в течение 120 минут

Заключение. Проведённый анализ методов для определения электрофизических свойств исследуемого корнеплода показал, что наиболее подходящим для проведения данных экспериментальных исследований является четырёхзондовый метод измерения удельного сопротивления. Для проведения эксперимента разра- ботана методика определения электрофизических свойств корнеплода и разработан алгоритм определения эффективных режимов тепловой обработки корнеплода. На основе полученных данных произведён выбор эффективного режима ИК-энергоподвода.