Модель напряженности СВЧ поля в зерновом слое

Ведение. Разработка энергоэффективного оборудования для линий сельскохозяйственного производства является одним из приоритетных направлений, обоснованных необходимостью снижения себестоимости конечных продуктов. В области производства зерновых культур, на показатель энергоэффективности существенное влияние оказывают такие составляющие как затраты на топливо и послеуборочную обработку урожая. Высокой энергоемкостью в процессе послеуборочной обработки зерновых материалов обладают такие операции как сушка и обеззараживание. В нашей стране данные затраты существенны и иногда достигают 30 %. Стоит учитывать и то, что в странах с развитым сельским хозяйством, но неблагоприятными погодными условиями, таких как Германия, Канада и др. данные затраты достигают 20%[1]. В настоящее время для указанной тепловой обработки используется оборудование, работающее на газе, дизельном либо иных видах топлива. В этом случае конвективный подвод энергии к зерну характеризуется существенными потерями, обусловленными промежуточным нагревом агента сушки.

Разработка комбинированных способов воздействия на сельскохозяйственные материалы в этом случае приобретает свою актуальность. Так большое развитие получают установки СВЧ- конвективной сушки и обеззараживания сельскохозяйственных материалов.

Общая часть. Распределение мощности электромагнитного поля по объему зоны СВЧ-воздействия крайне неравномерно. Для разработки и успешного внедрения термической обработки в соответствии с требованиями качества протекания процесса, необходимо обеспечить определенную равномерность поля по всему объему материала. При этом мощность, выделяемая в диэлектрическом материале, которым в нашем случае является зерно, определяется по следующей зависимости:

Qyg = 5,56 • E2 • s" -f- 10-11, Вт/м3             (1)

где Е - напряженность электрического поля, В/м; г" - фактор диэлектрических потерь материала; f – частота поля, Гц.

Если рассматривать процесс нагрева с точки зрения теплотехнических свойств материала, по энергия, идущая на нагрев определяется зависимостью:

Р = с • m • ДТ , Дж

где с - теплоемкость материала, Дж/кг -° С; m - масса материала, кг; AT - разница между конечной и начальной температурой материала, ° С.

Полезная мощность источника СВЧ так же может быть определена по зависимости (2) при соблюдении методики измерения [2].

Неравномерность распространения мощности по толщине обрабатываемого материала обусловлена потерями в слоях материала по мере удаления от источника.

В виду этого при изучении распространения электромагнитного поля в материалах вводят понятие глубины проникновения поля, которая определяется по зависимости:

йр =

Tf^Ef 2л^е" ,

м

где X - длинна волны, м; г' -

диэлектрическая

постоянная

материала.

В литературе представлен достаточно широкий набор диэлектрических характеристик сельскохозяйственных материалов [35], однако необходимо учитывать, что они могут существенно отличаться даже для различных сортов в пределах одной культуры и предварительной обработки материала.

Используя данные литературных источников [6, 7] в программном комплексе CST Studio была спроектирована зона СВЧ-обработки зернового материала (Рисунок 1). От источника через волновод 1 распространяется электромагнитная волна. На выходе волновода расположен фторопластовый экран. По продуктопроводу 4 вертикально вниз движется зерно 3. В нашем случае продуктопровод полностью заполнен.

Рисунок 1 – Разрез модели зоны СВЧ воздействия: 1 – волновод, 2 – фторопластовый экран, 3 – обрабатываемый материал, 4 – продуктопровод.

Пример результатов моделирования распределения напряженности электромагнитного поля в зоне СВЧ воздействия приведена рисунке 2. Следует отметить, что моделирование производилось при условии полного заполнения области электромагнитного воздействия обрабатываемым материалом. Видна крайняя неравномерность распределения поля по объему камеры, что необходимо учитывать при построении оборудования для микроволновой обработки материалов.

На рисунке 3 приведены графики, отображающие соответствие результатов моделирования и экспоненциального закона распространения. Кривая 1 характеризует экспоненциальный закон затухания электромагнитной волны в материале, получена из зависимости:

Е = Е0 • е-кх. (4)

где E0 – амплитуда поля на выходе волновода; k – коэффициент затухания, обусловленный диэлектрическими свойствами; х – координата.

Кривая 2 показывает числовые значения, полученные в программном комплексе CST Studio для зоны, содержащей 1 магнетрон. Вид кривой 2 обусловлен волновым характером распределения поля. Кривые приведены в относительных.

Рисунок 2 – Результаты   моделирования   амплитуды

напряженности СВЧ поля для ячменя влажностью 17,6 %.

0         2         4         6         8         10

Расстояние от источника, см

Рисунок 3 – Распространение напряженности поля при удалении от источника: 1 – экспоненциальный закон распределения; 2 – расчетная по модели, полученной в CST Studio

Отклонения данных, полученных при моделировании в CST Studio относительно экспоненциального закона обусловлены учетом волнового характера распространения поля, проводимом в программном комплексе. На практике же данное расхождение сглаживается за счет теплопереноса

Исходя из вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

• 1.    Высокую неравномерность электромагнитного поля необходимо учитывать при проектировании установок СВЧ-обработки материалов.

• 2.    В процессе обработки электромагнитным полем в реальной установке волновой характер поля сглаживается за счет теплопереноса между соседними слоями обрабатываемого материала.

• 3.    Отклонения данных, полученных с помощью модели, разработанной в CST Studio экспоненциального закона достигают 30% и обусловлены учетом волнового характера распространения поля.

• 4.    Для достижения энергоэффективности установок, обеспечивающих комбинированные способы воздействия, необходимо всестороннее исследование процессов, происходящих в обрабатываемом материале в процессе воздействия.

Annotation. The article describes the results of theoretical studies to determine the electromagnetic field in a layer of grain material undergoing microwave treatment. In this area will come exponential decay law of an electromagnetic wave in the material, and model, built in the software package CST Studio, as well as simulation results for barley moisture content of 17.6%. It provides an assessment of compliance with the exponential distribution law and the data obtained by the model. Finally, the conclusions on the results of representation works.