Результаты экспериментальных исследований фактора диэлектрических потерь зерновоздушной смеси

Введение. В последнее время проблеме разработки методов и устройств, использующих электрофизические факторы воздействия в сельском хозяйстве, уделяется особое внимание во всем мире, особенно в США, Франции, Японии. Так, например, озонирование в пищевой промышленности получило широкое распространение в Японии, Австралии, Франции. В США в 1997 г. решением правительственной комиссии озон был принят в качестве безопасного средства для использования в существующих и потенциальных технологиях, связанных с хранением и переработкой продуктов питания. Изучением применения микроволновых полей заняты в США, Канаде, Китае, а также ряде европейских стран [1, 2].

В области применения микроволнового нагрева ключевым фактором является наличие данных о диэлектрических свойствах материалов и их изменении от условий технологического процесса. К таким свойствам относятся диэлектрическая постоянная, коэффициент диэлектрических потерь, тангенс угла диэлектрических потерь. Такие характеристики встречаются в справочной и научной литературе, однако они зачастую существенно отличаются даже в пределах одной культуры, а во многих случаях вовсе отсутствуют [2–6]. В случае обработки материала в разряженном или псевдоожиженном слое данные о диэлектрических свойствах материалов вовсе отсутствуют. Это связано со сложностью получения подобных характеристик, а также влиянием на них множества фак- торов (степень зрелости, влажность, давление, температура и т.д.) [7, 8].

Методика исследования. Степень нагрева обрабатываемого материала зависит от поглощаемой мощности и характеристик материала. Диэлектрические свойства материалов, таких как зерно, в большей степени зависят от степени содержания в них воды (влажности материала). Абсолютная диэлектрическая проницаемость, 8, может быть представлена как комплексная величина [4]:

г = е' — js" , (1) где е' – диэлектрическая постоянная (действительная часть); е" – фактор диэлектрических потерь (мнимая часть). Диэлектрическая постоянная, s' , связана со способностью материала накапливать энергию электрического поля в материале, а коэффициент потерь, £^и , связан со способностью материала поглощать или рассеивать энергию, то есть, чтобы преобразовать электрическую энергию в тепловую энергию. Коэффициент диэлектрических потерь, например, является показателем склонности материала к нагреву в микроволновом поле. Диэлектрическая проницаемость также имеет важное значение из-за его влияния на распределение электрических полей.

При этом мощность, P , поглощенная в единице объема диэлектрика, определяется по следующей зависимости [4]:

Р = 2n • f • s₀ • s" • Е² , (2) где P – мощность, поглощенная единицей материала, Вт/м³;

f – частота электромагнитного поля, Гц;

80 – диэлектрическая проницаемость вакуума (8,854 10^-12 фарад/м);

E – напряженность электрического поля, В/м.

Фактор диэлектрических потерь, помимо влажности материала, зависит от его плотности и разряженности. Так как сушка зерновых в псевдоожиженном и разряженном состоянии, в том числе с применением микроволновых полей, отличается высокой эффективностью, то данные о значениях коэффициента диэлектрических потерь имеют значение при построении нового и совершенствовании существующего оборудования.

На рисунке 1 приведены сравнительные характеристики энергоэффективности сушки сои в зависимости от толщины обрабатываемого слоя, скорости агента сушки, его температуры и удельной мощности воздействующего электромагнитного поля [9].

Ро=4,3 Вт/гр

Ро=1,6 Вт/гр

Ро=О,О Вт/гр

в

г

Рисунок 1 – Энергоэффективность сушки зерна в псевдоожиженном слое с применением ЭМП СВЧ [9]

1 – ПК; 2 – зона СВЧ-конвективной обработки; 3 – калориметрический датчик; 4 – плата ввода/вывода; 5 – датчик температуры зернового слоя; 6 – источник СВЧ (магнетрон, блок питания, волновод); 7 – датчик температуры воздуха; 8 – вентилятор; 9 – ПЧВ; 10 – нагреватель;

11 – терморегулятор

Рисунок 2 – Лабораторная установка

Влажность зерна (W), %

—• - 440 кг/м3

—• • 220 кг/м3

6 60 кг/м³

Рисунок 3 – Результаты определения коэффициента диэлектрических потерь

Схема лабораторной установки, позволяющей проводить исследование тепловой обработки зерновой массы, в том числе находящейся в псевдоожиженном и кипящем состоянии, представлена на рисунке 2. Некоторые особенности сушки зерна в псевдоожиженном слое ранее были представлены в работах [10–14].

В данном представлении возможна реализация нагрузки (зернового слоя) как при полном, так и при частичном заполнении объема зоны СВЧ-конвективной обработки.

Характеристики, получаемые для различного состояния слоя, могут также использоваться для создания моделей в программах трехмерного электромагнитного моделирования.

Результаты и их обсуждение. Результаты эксперимента по определению коэффициента диэлектрических потерь для пшеницы при влажности от 11 до 30% приведены на рисунке 3. Исследование проводилось для микроволнового поля магнетрона частотой 2,45 ГГц, мощностью 0,9 кВт. Плотность исследуемого слоя находилась в пределах от 220 до 660 кг/м3. Об- щая динамика изменения фактора диэлектрических потерь для зерна пшеницы, на которое производится воздействие ЭМП СВЧ, соответствует друг другу, но значительно отличается по уровню.

Так, для плотного слоя, что соответствует плотности 660 кг/м3 в диапазоне влажности 11 30%, коэффициент диэлектрических потерь изменяется в диапазоне 0,18 0,42; для псевдоожиженного слоя (440 кг/м3) 0,06 0,15; для взвешенного (220 кг/м3) 0,1 0,3. Зависимость диэлектрических свойств может быть описана полиномиальной моделью.

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.

Качество измерений можно повысить использованием датчиков, на которые не действует микроволновое поле (например, оптоволоконные), а также изменением способа обеспечения требуемого слоя (например, механические датчики).

На следующем этапе будет произведена доработка лабораторной установки за счет применения оптических датчиков температуры OSMT-313 и универсального регистрирующего модуля FU-44-1.55-40-S-A4-IP40-2.

Составив уравнение энергетического баланса и проведя оценку энергоемкости влаго-съёма с учетом энергии, идущей на создание соответствующей плотности слоя, расходуемой на электромагнитное воздействие, перемещение материала и т.д., можно определить оптимальные режимы работы оборудования для достижения требуемых целей.

Исходя из вышеизложенного можно сделать следующие выводы.

• 1.    При выборе путей интенсификации и обеспечения энергосбережения следует руководствоваться ключевыми требованиями технологических процессов и экономическими критериями эффективности производства.

• 2.    Способы интенсификации и энергосбережения процессов тепло- влагопереноса зачастую имеют ограниченное применение и не применимы в некоторых технологических про-

• цессах (снижение производительности, увеличение энергоемкости установки, усложнение конструкции, повышение требований безопасности персонала).

• 3.    Комбинация нескольких способов позволяет интенсифицировать процесс сушки, однако зачастую это приводит к увеличению энергоемкости.

• 4.    Полученные характеристики для различного состояния слоя могут использоваться для создания моделей в программах трехмерного электромагнитного моделирования.

• 5.    Комбинацию или чередование нескольких способов воздействия целесообразно применять на отдельных стадиях сушки (например, при досушивании пшеницы с 16 до 14%).

• 6.    Получаемые характеристики могут служить исходными данными для составления уравнения энергетического баланса и проведения оценки энергоемкости влагосъёма с учетом энергии, идущей на создание соответствующей плотности слоя, расходуемой на электромагнитное воздействие, перемещение материала и т.д., можно определить оптимальные режимы работы оборудования для достижения требуемых целей.