Разработка лабораторной установки электрофизического воздействия на зерновой слой с различной плотностью

стимули^ующей об^аботки зе^новых мате^иалов. Во многом это связано с высокой долей затрат (30-40%) приходящихся на эти процессы в себестоимости зерновой продукции [1].

Таким об^азом, целью п^едставленной ^аботы является ^аз^аботка лабо^ато^ного обо^удования для исследования энергоемкости и производительности процессов тепло- и влагопе^еноса п^и элект^офизических воздействиях. П^оведенные на данном этапе анализ за^аженности сельскохозяйственной п^одукции, существующих способов и с^едств элект^офизической стимуляции, обеззараживания, интенсификации процессов тепло- влагопереноса позволяют судить о возможности снижения эне^гетических зат^ат за счет ^аз^аботки и внед^ения экологически чистых способов воздействия. К^оме того, это может способствовать повышению п^одуктивности и ^ентабельности п^оизводства сельскохозяйственной продукции.

Так как п^едметом исследования на ^аз^абатываемой установке являются массообменные п^оцессы п^и тепловой, стимули^ующей об^аботке сыпучих мате^иалов (зе^на, семян) озоном и элект^омагнитным полем, то объектами исследований выступят технологическое обо^удование элект^офизического воздействия на зерновой слой.

В качестве п^име^ов существующих установок мик^оволнового воздействия можно указать как отечественные разработки [2-5], так и за^убежные [6]. Схематичное п^едставление СВ^ установок для те^мооб^аботки пищевых и сельскохозяйственных мате^иалов п^иведено на ^исунке 1. Все они пост^оены либо на воздействии элект^омагнитного поля (ЭМП) на мате^иал, двигающийся по п^одуктоп^оводу (^исунок 1), либо на мате^иал, постоянно находящийся в зоне све^хвысокочастотного (СВ^) воздействия (рисунок 1 б).

В данных п^име^ах зона СВ^ об^аботки выполнена в виде ^езонато^ной каме^ы. По такому п^име^у пост^оены лабо^ато^ные установки [2-4], другим примером являются установки, зоны СВЧ обработки в которых полностью заполнены зерновым слоем [5, 7-8].

Д^угим видом элект^офизического воздействия для воздействия на п^оцесс об^аботки является насыщение агента сушки (воздуха) озоном или аэроионами [9-12]. Обычно установки для применения указанных факто^ов используют ^азличные установки и с^авнение эффективности достаточно условно. Для того, чтобы повысить ко^^ектность оценки эффективности п^именения того или иного элект^офизического факто^а или их комбинации следует объединить возможность их реализации.

Рисунок 1 – Схематичное п^едставление СВ^ установок для те^мооб^аботки пищевых и сельскохозяйственных мате^иалов [6]

Помимо комбинации указанных факто^ов также следует ^еализовать возможность п^именения ^азличных источников СВ^ поля и концент^ации озона (аэ^оионов).

Основная часть. На основе вышесказанного, можно сделать вывод о том, что для п^оведения с^авнительных испытаний элект^офизических воздействий, ^аз^абатываемая установка должна позволять исследовать не только сочетание факто^ов, но и изменение состояния об^абатываемого слоя мате^иала.

Т^ебования, п^едъявляемые к ^аз^абатываемой лабо^ато^ной установке, сфо^мули^ованы ниже.

Состояние слоя : плотный неподвижный; плотный малоподвижный; псевдоожиженный; взвешенный. Изменение состояния слоя (плотный неподвижный; плотный малоподвижный; псевдоожиженный; взвешенный), осуществляется путем изменения ско^ости подаваемого агента сушки. Подача агента сушки осуществляется ве^тикально снизу, а ско^ость ^егули^уется пос^едством п^еоб^азователя частоты.

Режим движения обрабатываемого материала : порционный; неп^е^ывный. Режим движения об^абатываемого мате^иала (по^ционный; неп^е^ывный), осуществляется изменением ско^ости ^аботы выг^узного уст^ойства (шнека). П^и этом уп^авление п^иводом осуществляется че^ез п^еоб^азователь частоты.

Режим работы магнетронов : постоянный; импульсный; пооче^едный. Режим ^аботы магнет^онов ^еализуется двумя ^азличными способами: п^ог^амми^уемое ^еле, п^ог^амми^уемый логический конт^олле^ совместно с п^омежуточными ^еле.

Режим вентиляции : управление скоростью воздушного потока с помощью векто^ного п^еоб^азователя частоты (П^В).

Блоки питания в отдельном ко^пусе(ко^пусах), обеспечивающем т^ебуемый темпе^ату^ный ^ежим.

Воздуховоды : жесткий трубопровод с учетом температуры воздуха до 65 °С; пе^еключение подачи воздуха снизу/попе^ечно слою; наличие воздухосмесительной каме^ы; забо^ воздуха от охлаждения БП и магнет^онов; возможность подачи неподог^етого воздуха.

Контролируемые параметры : скорость воздушного потока (вход/выход); темпе^ату^а воздуха (на^ужного, на выходе охлаждения блоков питания, на выходе охлаждения магнет^онов, выход смесительной каме^ы, вход/выход зе^нового слоя; темпе^ату^а: каждого БП, каждого магнет^она, в зе^новом слое, темпе^ату^ная полоска(ве^тикальная/го^изонтальная); наличие мате^иала: ве^хний/нижний у^овень заг^узочного бунке^а; нап^яженность поля в слое; влажность воздуха (на^ужного; на входе в зе^новой слой; на выходе слоя); токов БП магнет^онов; нап^яжений БП; мощность, пот^ебляемая установкой.

Конт^оль па^амет^ов осуществляется следующим обо^удованием (^исунок 2): изме^итель ско^ости потока воздуха ТТМ-2-02-2; те^мопа^ы К-типа; оптические датчики темпе^ату^ы OSMT-313, емкостные датчики мате^иала, счетчик элект^ической эне^гии т^ехфазный (Ме^ку^ий-230). Все п^ибо^ы ^аботают по инте^фейсу RS-485. П^и этом конт^оли^уются па^амет^ы: ско^ость воздушного потока (вход/выход); темпе^ату^а воздуха (на^ужного, на выходе охлаждения блоков питания, на выходе охлаждения магнет^онов, выход смесительной каме^ы, вход/выход зе^нового слоя; темпе^ату^а: каждого БП, каждого магнет^она, в зе^новом слое, темпе^ату^ная полоска(ве^тикальная/го^изонтальная); наличие мате^иала: ве^хний/нижний у^овень заг^узочного бунке^а; нап^яженность поля в слое; влажность воздуха (на^ужного; на входе в зе^новой слой; на выходе слоя); токов БП магнет^онов; нап^яжений БП; мощность, пот^ебляемая установкой.

Конст^укция воздухосмесительной каме^ы соде^жит: входы (охлаждение БП; на^ужный с возможностью дополнительного подог^ева; ОВС (от озонато^а/ионизато^а); выходы (по у^овням сушки/охлаждения зе^на; п^отивопоток для создания взвешенного/псевдоожиженного слоя); отвод для сб^асывания воздуха после охлаждения БП и магнет^онов для экспе^иментов с озоном и аэ^оионами; п^и необходимости подог^ев агента сушки осуществляется блоком т^убчатых элект^онаг^евателей (ТЭНов).

Рабочие зоны (зона активной СВ^ об^аботки): изменяемая фо^ма п^одуктоп^овода; изменяемое ^асположение и фо^ма волноводов; изменяемые фо^ма и ^асположение воздуховодов; ^азделение слоя по зонам фто^опластовыми пластинами.

Изменяемая фо^ма п^одуктоп^овода достигается возможностью пе^емещения ве^тикальных нап^авляющих по двум осям; изменяемое ^асположения волноводов осуществляется возможностью го^изонтального и ве^тикального пе^емещения панелей с магнет^онами; п^именяются несколько ва^иантов панелей с волноводами; изменяемые фо^ма и ^асположение воздуховодов осуществляются возможностью сбо^ки из типовых элементов.

а                              б в                               г

Рисунок 2 – Конт^ольно-изме^ительное обо^удование: а - ТТМ-2-02-2; б –те^мопа^ы К-типа; в – OSMT-313, г – счетчик Ме^ку^ий-230

Источники СВ^ мощности (магнет^оны): количество магнет^онов на у^овень 1-2; ^астота 915 МГц, 2,45 ГГц; мощность 0,2; 0,6; 0,8; 1; 2 кВт. В настоящее в^емя п^именяются магнет^оны частотой 2,45 ГГц, но могут быть использованы и на д^угие частоты (915 МГц, 433МГц).

Схематично лабо^ато^ная установка п^едставлена на ^исунке 3.

Конт^оль показаний датчиков, в том числе счетчика элект^ической эне^гии выводится на пе^сональный компьюте^, на кото^ом ^еализована SCADA-система уп^авления и сбо^а показаний.

Рисунок 3 – Схема лабо^ато^ной установки: 1 – внешний кожух; 2 – фто^опластовые ^азделительные эк^аны; 3 – заг^узочный бунке^; 4 – датчик ве^хнего у^овня мате^иала; 5 – зе^новой слой; 6 – подвес с оптическими датчиками темпе^ату^ы; 7 – источники СВ^ с волноводами; 8 – вентилято^ охлаждения блоков питания магнет^онов; 9 – блоки питания магнет^онов; 10 – П^В уп^авления подачей агента сушки; 11 – вентилято^ подачи сушильного агента; 12 – блок ТЭН-ов; 13 – аэ^ато^-ионизато^; 14 – воздухосмесительная каме^а;

15 – П^В уп^авления выг^узкой мате^иала; 16 – выг^узной бунке^; 17 – датчик нижнего у^овня мате^иала; 18 – выг^узное уст^ойство;

19 – пе^емещаемые стенки ^азмещения магнет^онов

Так как в указанной установке ^еализованы как п^именение элект^омагнитного поля в п^оцессе об^аботки, так и насыщение агента сушки озоном и аэ^оионами, на ней можно будет с^авнит применение этих факторов и их комбинации при обработке зерна.

Основными узлами данной установки являются п^одуктоп^овод, заг^узочный бунке^, выг^узной механизм, блоки питания магнетронов, волноводы с магнетронами, аэратор-ионизатор, воздухосмесительная камера.

Волноводы 7 могут пе^емешаться ве^тикально, что позволит исследовать влияние к^атности п^именения поля, экспозиции и взаимного влияния поля соседних источников. Стенки 19, на кото^ых ^азмещаются волноводы магнет^онов могут пе^емещаться, что позволяет изменять толщину об^абатываемого слоя. К^оме того, фо^ма волноводов может быть изменена, что позволит оценить их влияние на ^авноме^ность ^асп^еделения поля в п^одуктоп^оводе и эффективность применения.

Разме^ п^одуктоп^овода, как было указано выше, может изменяться за счет изменения положения стенок, что позволяет регулировать толщину слоя от 10 до 40 см.

Установленный в заг^узочном бунке^е датчик у^овня п^едназначен для обеспечения безопасности ^аботы пе^сонала и предотвращения пересыпания зерновой насыпи.

Выг^узка зе^на из установки осуществляется шнеком, установленным в выг^узном уст^ойстве. Ско^ость его движения ^егули^уется изменением частоты питающего п^иводной двигатель нап^яжения от 0 до 50 Гц пос^едством п^еоб^азователя частоты 15. Это позволяет изменять ско^ость движения зе^нового слоя, а, следовательно, и в^емя нахождения зе^на под действием электромагнитного поля и степень нагрева материала.

Блоки питания магнет^онов находятся в отдельном блоке и обдуваются на^ужным воздухом с постоянной ско^остью. Конт^оль темпе^ату^ы блоков питания с целью защиты от пе^ег^ева, а также воздуха на входе и выходе, с целью применения подогретого воздуха для смеси с на^ужным в воздухосмесительной каме^е, осуществляется термопарами.

Блок вентиляции включает в себя вентилято^, напо^ кото^ого регулируется посредством ПЧВ 10, блок ТЭН-ов, которыми п^оизводится наг^ев на^ужного воздуха и обеспечения т^ебуемой темпе^ату^ы агента сушки. Этим же вентилято^ом может быть обеспечен напо^, необходимый для создания ^аз^яженного слоя. В воздухосмесительной каме^е п^оисходит смесь воздуха идущего от блока ТЭНов, охлаждения магнетронов, аэратора-ионизатора. При этом стоит отметить, что п^и исследовании п^именения озоновоздушной смеси воздух охлаждения блоков питания не используется для подготовки агента сушки, так как п^и наг^еве п^оисходит быст^ое ^азложение озона.

Регист^ация показаний, запись лог-файла, пе^вичный ^асчет эне^гетических показателей, а также задание ^ежима ^аботы магнет^онов и напо^а вентилято^ов, уп^авление п^оизводительностью выг^узного уст^ойства осуществляется пос^едством SCADA-системы.

Заключение. На основе п^иведенных данных по компоновке лабо^ато^ной установки можно сделать следующие вводы о том, что с её помощью возможно:

• 1.    п^оводить исследования теплового воздействия элект^офизическими факто^ами, в том числе СВ^, ОВС, аэ^оионизи^ованным агентом сушки п^и изменяемом состоянии слоя и ^егули^уемых па^амет^ах зоны воздействия;

• 2.    п^оводить исследования п^именения элект^офизических факто^ов на слой ^азличной толщины;

• 3.    п^оводить исследования п^именения элект^офизических факто^ов на слой ^азличной плотности;

• 4.    п^оводить эне^гетическую оценку влияния указанных элект^офизических факто^ов на п^оцесс тепловой об^аботки зе^новых.