дипломный проект по электрификации. Глава1. РД. Э 312С. Э 14 пз

• Название: РД. Э 312С. Э 14 пз
• Анкор: дипломный проект по электрификации
• Дата: 13.09.2022
• Размер: 1.02 Mb.
• Имя файла: Глава1.doc
• Тип: Документы; #674901

					РД.ЭА5.312-С.Э.2.14 ПЗ	Лист
Изм.	Лист	№докум.	Подпись	дата

Глава 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ И

ТЕХНОЛОГИЙ СУШКИ.

Оборудование и технологии сушки продуктов растительного происхождения находят все более широкое использование и постоянно совершенствуются [18,19]. Способы и технологии сушки, конструкции установок в значительной степени определяются рядом параметров, таких как исходная и конечная влажность продукта сушки, его физико-химические свойства, допустимые при сушке температуры, не разрушающие полезные вещества и витамины.

Определяющим в выборе технологии сушки являются также и объемы переработки продукта. При малых и средних объемах (производительностях) – до десятков и сотен килограмм в час - предпочтительными оказываются электрические сушильные установки, обеспечивающие экологическую чистоту, легкость управления и автоматизации процесса [24].

Рассматриваемый в настоящей дипломной работе продукт – семена с твердой оболочкой имеют низкую исходную и сверхнизкую конечную влажность, кроме этого влага содержится во внутренних слоях семени в связанном виде, и твердая оболочка препятствует выходу влаги на поверхность.

При анализе современного оборудования и технологий сушки особое внимание обратим на искусственную сушку зерна, которое по диапазону начальных влажностей и физико-механическим свойствам близко к объекту сушки - семенам с твердой оболочкой (в частности, к семенам расторопши). Как правило, она осуществляется в барабанных или шахтных зерносушилках [12,13].

1. 
   Описание объекта сушки и технологической схемы его переработки\
   

Расторопша пятнистая [26] (Silybum marianum L.) - монокарпик (однолетник или двулетник) – это растение с прямостоячим стеблем до 150 см высотой, покрытым мучнистым налетом. Листья перисто-лопастные или перисто-рассеченные, кожистые, темно-зеленые, испещренные блестящими белыми поперечными прерванными полосами (рис.1.1.)



Рис. 1.1. Расторопша пятнистая (Silybum marianum L.)

Распространена расторопша в центральной и южной полосе европейской части, на Кавказе, в южной части Западной Сибири, в Средней Азии. Масштабы ее выращивания достаточно велики. Только в Российской Федерации для целей последующего производства лечебных препаратов и пищевых добавок выращивается по разным сведениям от 20 до 50 тысяч тонн расторопши (в пересчете на массу семян). При таких масштабах производства решение задачи эффективной последующей переработки этой культуры имеет важное народно-хозяйственное значение.

Еще одним важным достоинством расторопши является тот факт, что при ее выращивании агротехника чрезвычайно проста. Уборка расторопши в промышленных масштабах производится обычными комбайнами типа «Нива».

Среди лекарственных трав расторопша выделяется довольно широким спектром действия. Современные исследования показали, что расторопша содержит комплекс ценнейших лечебных соединений, среди которых – силимарин. В семенах расторопши до 32% съедобного жирного масла. Для медицинских целей используются семена расторопши (семянки), заключенные в твердую оболочку, в состав которых входит жирное масло, эфирное масло, биогенные амины (тирамин, гистамин), флавонолигнаны (силибин, силидианин, таксифолин и др.), смолы, минеральные вещества (растение концентрирует медь и селен). Основными действующими веществами расторопши являются флавонолигнаны. Кондиционная конечная влажность при переработке семян расторопши составляет 5…6%.



Рис. 1.2. Схематическое изображение участка переработки расторопши. 1-приемный бункер; 2-транспортер; 3-загрузочный бункер; 4-дозатор; 5-трубопровод; 6-технологическте поддоны; 7-установка; 8-приемная емкость; 9 – транспортер; 10-загрузочный бункер; 11-отжимной пресс; 12 – емкость для масла; 13-фильтр; 14-участок разлива масла; 15-участок упаковки шрота.

Такая исходная влажность необходима для техпроцесса выдавливания масла из семян расторопши. При меньшей влажности процент выхода масла резко снижается, при большей – наблюдается замутнение получаемого лечебного масла. Максимально допустимая температура семян при обезвоживании не должна превышать 60 ⁰С, что обеспечивает сохраняемость полезных веществ и витаминов. Форма семянок расторопши – элиптическая, поперечный размер – 2,5…3 мм, масса семени составляет 0,02…0,08 г. Влага содержится в связанном виде во внутренних слоях семени. Начальная влажность семян расторопши в зависимости от условий выращивания и уборки может быть от 14 до 25%. В соответствии с изложенным выше кондиционная конечная влажность семян, предназначенных для дальнейшей переработки, нормируется и составляет 5…6%.

Участок окончательной переработки представляет собой цех, основными компонентами которого являются бункер для загрузки семян расторопши, сушильная установка, отжимной пресс и участок для разлива лечебного масла в тару для продажи и расфасовки пищевых добавок (рис. 1.2.).

После транспортировки расторопша (семена) помещается в специальную емкость (1), откуда продукт, с помощью специального транспортера (2), с закрепленными на нем ковшевыми лопатками, подается в загрузочный бункер (3). Дозатор (4), расположенный в конце прямоугольного трубопровода (5), через который осуществляется подача продукта из бункера на технологические поддоны (6) установки сушки (7), обеспечивает необходимую загрузку технологического поддона. На технологических поддонах продукт поступает в сушильную камеру установки сушки. После высушивания до кондиционной влажности, расторопша с поддонов ссыпается в специальную емкость (8), откуда с помощью специального цепного транспортера (9) и закрепленных на его цепи ковшевых лопаток, подается в бункер для высушенного продукта (10), из которого через прямоугольный трубопровод и дозатор расторопша подается на отжимной пресс (11). Масло, получаемое на отжимном прессе, собирается в специальную емкость (12) и после очистки на специальном фильтре (13), разливается в специальную стеклотару для продажи (14). Сухая масса, после отжима на прессе и специальной обработки (15), фасуется в пакеты для продажи и продается как пищевая добавка «шрот».

2. 
   Обзор конструкций установок и технологий сушки зерновой и другой сельскохозяйственной продукции.
   

Существует сложившийся за годы развития сушильной отрасли набор требований, предъявляемых к сушильным технологиям и оборудованию сушки. Конструкции сушилок должны обеспечивать равномерный нагрев и сушку продукта высокой производительности процесса. Кроме того, они должны быть экономичными по удельному расходу энергии (либо топлива), иметь возможно меньшую металлоемкость. И, наконец, современные сушилки должны быть универсальны в части возможностей сушки различных материалов.

Сложилась определенная классификация установок сушки по целому ряду признаков [12,13,14]:

- по способу подвода тепла к влажному материалу – конвекционные (высушиваемый материал омывается потоком предварительно нагретого сушильного агента), кондуктивные или контактные (обеспечивается непосредственный контакт высушиваемого материала с нагреваемой поверхность), радиационные, которые, в свою очередь, разделяются по диапазонам частот используемого электромагнитного излучения: инфракрасные (ИК), с токами высокой частоты (ТВЧ) и со сверхвысокочастотными (СВЧ) полями;

- по давлению воздуха в сушильной камере - атмосферные, вакуумные, сублимационные;

- по характеру работы - аппараты периодического и непрерывного действия;

- по виду сушильного агента - аппараты, использующие нагретый воздух, дымовые газы, смесь воздуха с дымовыми газами или перегретый пар;

- по механизмам циркуляции сушильного агента - установки с естественной циркуляцией и с принудительной циркуляцией (за счет использования центробежных и осевых вентиляторов);

- по характеру движения сушильного агента относительно материала - прямоточные (при одинаковом направлении движения сушильного агента и материала), противоточные (при противоположном направлении движения материала и сушильного агента), с пронизыванием слоя материала потоком сушильного агента;

- по способу нагрева сушильного агента - сушильные установки с паровыми, либо огневыми калориферами;

- по кратности использования сушильного агента - с однократным и многократным применением нагретого воздуха в различных вариантах;

- по виду объекта сушки для твердых - крупных, мелких, пылевидных, жидких и пастообразных материалов;

- по конструктивным признакам – тоннельные, камерные, шахтные, коридорные, барабанные, вальцевые и др.

Рассмотрим наиболее типичное и широко применяемое сушильное оборудование.

Самое широкое промышленное применение получили конвекционные сушилки различных конструкций: камерные, барабанные, пневматические, с кипящим слоем [16,17,20].

В основном варианте конвекционной сушилки сушильный агент, предварительно нагретый в калорифере до максимально допустимой температуры, движется в ней, непосредственно соприкасаясь с высушиваемым материалом.


Рис. 1.3. Типичная зависимость парциального давления водяного пара h и парциального давления насыщенного пара H от температуры Т.

Общий для всех перечисленных выше установок принцип конвекционной сушки состоит в продувке слоя продуктов подогретым воздухом, либо иным теплоагентом. Скорость испарения (количество испаренной в единицу времени влаги) dχ/dt с поверхности S зависит от соотношения парциального давления пара в окружающей среде h, парциального давления насыщенного пара в пограничном слое продукта H и общего барометрического давления В следующим образом:

, (1.1.)

где S – коэффициент испарения, обусловленный вязкостью и другими параметрами воздуха [14,15]. Зависимость величин H и h от температуры носит характер, показанный качественно на рис. 1.3. При низких температурах неизбежна малая скорость сушки. При температурах же порядка 80…90°С, еще не чреватых серьезными химическими изменениями в продукте, значение величины (H-h) в выражении (1.1) многократно увеличивается по сравнению с ее значением при комнатной температуре, и процесс идет достаточно эффективно. Однако по мере снижения влажности продукта скорость сушильного процесса падает, а его энергоемкость возрастает. Физически это обусловлено быстрым ухудшением тепло- и массообмена в продуктах по мере их высыхания. При малых влажностях интенсивный контакт теплоносителя с поверхностью продукта не приводит к сколь либо заметному разогреву внутренних слоев продукта, и его неиспользованная энергия через теплоизоляцию сушильного оборудования и каналы для отвода испаренной влаги уходит на обогрев окружающей среды.

Применительно к зерну, имеющему малую исходную влажность (20-25%), негативные особенности конвекционной сушки начинают сказываться непосредственно с самого начала сушильного процесса. В целом же по всему проходимому в процессе сушки зерна диапазону влажностей общая энергоемкость процесса обезвоживания составляет 6-7 кВт*ч на один кг испаренной влаги (физическим пределом минимизации энергоемкости сушильного процесса при нормальном барометрическом давлении является величина R= 0.72 кВт*ч/кг – количество энергии, необходимое для разогрева от 20 до 100°С и испарения 1 кг воды). Для еще менее влажных семян расторопши эта величина при конвекционной сушке достигает 10-12 кВт*ч/кг.

В установках использующих конвекционный метод сушки, имеется еще один весьма существенный недостаток: для получения тепловой энергии в них используются пар, жидкое и газообразное топливо, что не позволяет сделать сушильное производство экологически чистым.

Контактные, сублимационные и инфракрасные сушильные установки имеют, как правило, весьма ограниченное или специализированное применение, и для сушки зерна и семян расторопши практически не применяются. В силу этого, в настоящей работе не рассматриваются.

Таким образом, на основе проведенного анализа практически все механизмы сушки зерна могут быть разделены на два больших класса: конвекционные и микроволновые (т.е. с поверхностным или объемным подводом энергии).

Очевидным представляется, что снижения потерь в диапазоне низких влажностей сушильного диапазона можно добиться за счет перехода к объемному характеру выделения энергии, которое в реальности может быть рнеализовано при облучении объекта электромагнитными волнами СВЧ-диапазона.

1.3. Основные понятия теории сушки

Сушка – сложный физический процесс, течение которого обусловлено изменениями, происходящими в материале, и в окружающей его среде (изменениями температуры, влажности, усадка и др.). В целом процесс сушки можно разделить на два основных этапа – внешний и внутренний. При этом внешние процессы характеризуются массообменом (испарением влаги) с поверхности материала в окружающую среду (сушильный агент) и теплообменом между средой и материалом. Внутренние же процессы происходят вследствие нарушения равновесия по объему частицы, вызванного внешними тепло- и массообменом, а также (в случае микроволновых воздействий) внутренними источниками энерговыделения. При испарении влаги с поверхности материала расходуется тепло, а центральные слои остаются более насыщенными влагой, что и приводит к внутреннему тепло- и массообмену.

Процессы внешнего и внутреннего тепло- и массообмена в процессе сушки взаимосвязаны. Сложный характер этих процессов для случая внешних (конвекционных) воздействий изучен и математически обобщен в работах А.В. Лыкова и его учеников, а также работах Б.М. Смольского, П.Д. Лебедева, Г.К. Филоненко, Ю.А. Михайлова, А.С. Гинзбурга, А.Г. Темкина и др. [18,22,23].

1.4. Специфика технологий и оборудования сушки зерновой продукции

Процесс сушки зерновой продукции в зерносушилках осуществляется в настоящее время преимущественно по конвекционным технологиям в подвижном слое зерна [13]. Горячая газовоздушная смесь является одновременно и теплоносителем и газопоглотителем, т.е. универсальным агентом сушки. Скорость ее выбирается меньшей, чем критическая (на границе перегрева зерна) скорость перемещения высушиваемого материала, который движется с малой скоростью параллельно потоку теплоносителя в барабанных сушилках или перпендикулярно ему в шахтных зерносушилках. При этом особое внимание уделяется обеспечению определенного и постоянного режима сушки, параметры которого (температура и скорость движения теплоносителя, толщина слоя зерна) могут регулироваться в ходе техпроцесса сушки.

Температуру теплоносителя и зерен (в ходе сушки) выбирают в зависимости от культуры и первоначальной влажности зерна, с увеличением которой температуру теплоносителя снижают.

В хозяйствах, как правило, используют передвижные и стационарные зерносушилки непрерывного действия с принудительной подачей теплоносителя и механизированной загрузкой и выгрузкой зерна.

В барабанных сушилках зерно движется вдоль оси вращающегося барабана в потоке теплоносителя, температура которого для сушки продовольственного зерна составляет 180-200°С, для сушки семян – порядка 100-160°С. При этом в силу относительной кратковременности циклов сушки продовольственная пшеница нагревается в техпроцессе до 50-55°С, а семена – до 45-48°С.

В шахтной зерносушилке зерно перемещается вниз под действием гравитационной силы, а теплоноситель движется навстречу зерну (снизу вверх). Температура теплоносителя для сушки продовольственного зерна колосовых культур составляет 100-140°С, при этом допускается нагрев продовольственного зерна до 50°С, а семян – до 45°С.

Влажность зерна за один проход через барабанную сушилку можно снизить на 5-7%, через шахтную – примерно на 1%.

1.5. Физика процессов взаимодействия с влажными объектами

электромагнитных волн СВЧ диапазона

СВЧ-сушка основана на том, что диэлектрические свойства воды и сухих веществ пищевых продуктов различаются: влажный материал значительно быстрее нагревается, чем сухой. В процессе СВЧ-сушки температура более влажных внутренних слоев выше, чем наружных, более обезвоженных (что и создает «правильное» – от внутренних к внешним слоям продукта – направление градиента массопереноса влаги, не реализуемое ни в одном из иных известных методов сушки).

Подвергаемые сушке материалы представляют собой [14]сложные неоднородные тела – диэлектрики, включающие в свой состав иногда некоторое количество электролитов (водных растворов солей).

Все диэлектрики обладают некоторой, хотя и незначительной, проводимостью, являющейся одной из констант, характеризующих данную материальную среду. При распространении через нее электромагнитных волн часть электромагнитной энергии будет этой средой поглощаться за счет преобразования электромагнитной энергии в тепловую [16,17].

Кроме того, в диэлектрике наряду со свободными зарядами, имеются еще и связанные заряды, которые можно схематически разделить на четыре группы:

- обусловленных влиянием электронной поляризации под действием электрического поля приводящей к смещению заряда и изменению его орбиты (вследствие чего в атоме возникает как бы некоторая пара сил и соответствующий дипольный момент);

- связанных зарядов соответствующих атомной поляризации (наблюдаемой в твердых кристаллических элементах и обусловленной смещением разноименно заряженных атомов);

- соответствующих дипольной поляризации молекул;

- соответствующих поляризации областей со свободными зарядами, которые могут перемещаться в этой области и создавать определенный поляризационный момент (ионной поляризации).

С точки зрения термического эффекта сушку в поле высокой частоты можно представить в виде принципиальной схемы (рис. 1.4.), в рамках которой переменное электрическое поле высокой частоты создается между обкладками конденсатора (см. рис. 1.4).

На рисунке показаны условно два иона - один (b) с отрицательным, а другой (а) с положительным зарядом и электрон с. Пусть одна пластина конденсатора имеет положительный, а другая – отрицательный заряд; тогда ион а будет стремиться передвинуться к отрицательной пластине, а ион b и электрон с – к положительной. При изменении зарядов пластин, эти же ионы и электроны будут стремиться передвинуться в обратном направлении, что и определит величину проводимости, а величина поглощения будет определяться «трением», сопровождающим движение этих ионов и электронов внутри молекулярной среды под действием электрического поля.

Проанализируем теперь поведение дипольных молекул. Если одна пластина конденсатора будет иметь положительный, а другая - отрицательный заряд, то диполи d и е будут стремиться занять горизонтальное положение, причем диполь d повернется по часовой, а диполь е – против часовой стрелки; при изменении электрического заряда пластин конденсатора диполи должны вращаться то в одну, то в другую сторону и занимать соответствующее горизонтальное положение, дважды за период поля. Вращение диполей связано с «молекулярным трением», обуславливающим переход энергии электромагнитных волн в тепло.



Рис. 1.4. Диэлектрик в СВЧ поле

Кроме того, в упругом диполе е может происходить смещение одних частей молекулы относительно других, также сопровождаемое тепловым эффектом.

В результате температура материала повышается; за счет тепло- и влагообмена между поверхностью материала и окружающей средой, поверхность материала теряет часть тепла и ее температура возрастает медленнее, чем внутри материала; создается значительный температурный градиент между поверхностью и центральной частью материала, величину которого можно регулировать, изменяя напряженность электрического поля высокой частоты. Однако его направленность при любых условиях, оптимальна для выноса влаги из объема облучаемого материала (в отличии от реализуемой при конвекционной сушке).

Количество теплоты (в кВт), выделяемое 1 м³ материала, определяется уравнением [11]:

Q = 0.556·10^-13 ·υ·ε·tgδ(0.5 Е²), (1.2)

где Р=(₀/2)Е²;

Е – амплитуда напряженности электрического поля, В/м;

υ – частота, Гц;

ε₀ – электрическая постоянная (в системе СИ);

ε – относительная диэлектрическая проницаемость;

tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь.

Резюмируя изложенное выше можно сделать вывод, что нагрев материалов в электромагнитном поле (ЭМП) СВЧ обусловлен колебательным движением и переориентацией связанных зарядов. Возникающее при этом «внутреннее трение» диполей друг о друга приводит к «внутреннему» нагреву материала.

СВЧ излучение воздействует, в первую очередь, на содержащуюся в продукте влагу (что и обуславливает селективность энерговыделения при СВЧ сушке), при этом выделяемая тепловая энергия расходуется на нагрев (расширение) и испарение жидкости непосредственно внутри капилляров и пор продукта и образование в них избыточного давления пара. Это, в свою очередь, обусловливает интенсивное перемещение влаги из внутренних слоев материала во внешние с выделением ее на поверхности материала в капельно-жидком состоянии, чего практически невозможно достичь любыми другими методами. Внешний влагоперенос экономически целесообразнее реализовать с использованием конвекционных механизмов.

Реализуемый в результате применения СВЧ-полей объемный нагрев приводит к получению целого ряда технических преимуществ соответствующих технологических процессов: существенно повышается однородность влажности по объему высушенных продуктов из-за отсутствия локальных перегревов продукта в силу специфического селективного характера выделения СВЧ энергии, увеличивается сохраняемость пищевых продуктов в процессе сушки; при необходимости при СВЧ-сушке может быть снижен уровень предельно достижимой конечной влажности высушиваемой продукции. Удается значительно снизить время сушки и уменьшить энергоемкость техпроцесса (особенно для процессов, в которых необходимо получение малых конечных влажностей).

Однако прежде чем сформулировать цель и задачи проведенного в настоящей диссертационной работе исследования, остановимся на существующих методах и оборудовании микроволновой сушки.

1.6. Аналитический обзор существующего оборудования для реализации микроволновых технологий обезвоживания

Во второй половине прошлого века возникли предпосылки для возможности реализации взаимодействия СВЧ излучения с различными материалами, в основном с целью их нагрева. С тех пор было создано огромное количество различных установок СВЧ нагрева и конструкций их рабочих камер (см., например, [18,19])

Одно из первых технических решений микроволновой установки по обезвоживанию диэлектрических материалов основывалось на применении барабана с перфорацией по периметру [19]. Через перфорацию прогонялся воздух из барабана. На образующейся воздушной подушке двигалась лента материала, подлежащего сушке, например, фотопленка. Для интенсификации сушки между отверстиями перфорации была уложена система проводников, возбуждающая в области расположения высушиваемого материала поле СВЧ (на частотах 1…2 ГГц).

Для принципиально малых габаритов высушиваемых (термообрабатываемых) объектов предназначено техническое решение [19], основанное на применении замедляющих электродинамических структур для СВЧ нагрева диэлектрических стержней. В качестве основной цели авторами [24] декларируется увеличение равномерности нагрева по сечению стержня. В качестве рабочей камеры (замедляющей структуры) в работе описывается система типа «диафрагмированный волновод».

Близкое по сущности техническое решение [23], предлагаемое сразу несколькими авторскими коллективами, базируется на одномодовой коаксиальной линии. Однако все вышеперечисленные установки предполагают единовременное воздействие и имеют малые габариты, в связи с чем не представляется возможным их использование в промышленных масштабах.

Еще одно техническое решение, относящееся к группе конструкций, не рассчитанных на промышленные масштабы сушильного процесса, выполнено на базе одномодового объемного резонатора [15] на моде Е₀₁₂, работающего на частоте 2.45 ГГц. Предназначено это устройство для сушки стержней из нейлона-66. Для повышения однородности энерговыделения и, соответственно, сушки применен метод качающейся частоты, не уменьшающий реальную изрезанность распределения электрического поля в каждый конкретный момент времени, но уменьшающий среднее во времени значение этой изрезанности.

Если же обратиться к зарубежным разработкам в области промышленного СВЧ нагрева и обезвоживания [15], то можно сказать, что до 1970 года специалисты не предполагали бурного роста по этому направлению. Однако на сегодняшний день на микроволновых установках ежегодно высушиваются продукты общей стоимостью в десятки миллиардов долларов. В основном это относится к области продовольственных продуктов. Из-за несовершенства электродинамических систем в них не удается создавать равномерный нагрев по объему продукта. Проблема равномерного нагрева в этих установках решается движением продукта по рабочим каналам установок, во время которого продукт проходит максимумы и минимумы микроволнового поля. Стоимость установок достигает одного миллиона долларов.

В 90-е годы совместными усилиями специалистов СГАУ им. Н.И.Вавилова и научно-производственных организаций «Диполь» и «Агроприбор» удалось разработать и освоить в производстве принципиально новое техническое решение установки микроволновой сушки различных продуктов. Это решение [16,17,18] касается в первую очередь электродинамических систем (рабочих камер) установок микроволновой сушки, выполненных в виде совокупности желобковых волноводов [20,21] со специально подобранным соотношением геометрических размеров [21], что позволило получить практически идеальную однородность высокочастотного поля (и, соответственно, энерговыделения) по обеим координатам поперечного сечения рабочей камеры. Выбором закона движения транспортера [ 24] вдоль оси, связанной с третьей пространственной координатой, обеспечивается полная (по всем трем координатам) объемная однородность энерговыделения в продуктах микроволновой сушки и, соответственно, высокая пространственная однородность свойств прошедших сушильный процесс продуктов.

На базе этих установок удалось создать в конце 90-х годов следующее поколение сушильного оборудования – установки комбинированной конвекционно-микроволновой сушки [ 17,25,26], позволившие для высоковлажных продуктов снизить значение энергоемкости процесса до 1,05-1,1 кВт*ч/кг, что уже очень близко к предельным физическим возможностям процесса обезвоживания (≈ 0,73 кВт*ч/кг) [11,19].

Однако использование обоих этих классов оборудования для промышленной сушки низковлажных семян весьма ограничено в связи с тем, что при использовании установки микроволнового типа вышедшая на поверхность семени влага препятствует выходу следующей порции влаги изнутри семени. Так как зерна расторопши располагаются на технологических поддонах слоем достаточно большой толщины, этот эффект усиливается. За счет этого снижается производительность и возрастает энергоемкость процесса сушки.

При использовании разработанных ранее конвекционно-микроволновых технологии и оборудования эффективность сушки низковлажных семян оказывается еще ниже. Это объясняется тем, что при таких исходных влажностях (12-14%) использование на первой стадии процесса обезвоживания конвекционного теплового потока нецелесообразно – в слое продукта достигается уже достаточно большое значение градиента температуры, сравнимое со значением противоположно направленного градиента влажности; кроме того, на поверхности семени образуется запирающий слой (см. рис. 1.5 а), препятствующий выходу влаги изнутри семени.

В этой связи и представляется необходимым исследовать иные механизмы обезвоживания, в качестве основного из которых предлагается многоцикловый микроволново-конвекционный механизм воздействия на низковлажные семена, обеспечивающий наилучшее соотношение градиентов температуры и влажности в процессе сушки и, вследствие этого – обезвоживание этого продукта вплоть до достижения диапазона сверхнизких влажностей (порядка 5-6%).



а) б)

Рис. 1.5. Поведение градиентов температуры и влажности при а) конвекционном воздействии и б) при комбинированном микроволново-конвекционном воздействии

Основной причиной торможения процесса конвекционной тепловой сушки зерновой продукции при низких уровнях влажности является рост градиента температуры, направленного навстречу градиенту влажности (рис.1.5а). В этой связи полагалось, что создание с помощью микроволновой энергии температурного градиента, сонаправленного градиенту влажности (рис. 1.5. б) скомпенсирует влияние противонаправленного градиента температуры (возникшего за счет поверхностного теплового воздействия конвекционного потока) и существенно интенсифицирует процесс сушки.



Рис. 1.6. Схема комбинированного микроволново-конвекционного обезвоживания с периодическим воздействием на продукт двух энергетических потоков. МВ - микроволновые блоки; К- конвекционные блоки; Р - микроволновая энергия; Q₂ - конвекционная энергия; Q₁- поток воздуха системы влагоудаления; n-количество циклов воздействия конвекционного и микроволнового энергетических потоков.

Было также сделано предположение, что, возможно, чередование микроволновой и конвекционной тепловой энергии, воздействующей на продукт, даст наибольший эффект при сушке низковлажных семян до сверхнизких влажностей. При этом в дополнении к изложенному выше микроволновая энергия вытесняет из семени влагу на его поверхность, которая удаляется потоком горячего воздуха, освобождая «место» для следующей порции влаги, выходящей на поверхность из внутренних слоев. Отсюда и возникает идея многоцикловости установки и чередования во времени воздействия потоков энергии различной физической природы. Предлагаемая схема воздействия на продукт представлена на рис. 1.6.

Продукт движется (на рис. 1.6 показано стрелкой) через секции установки сушки, где на него с двух сторон (для обеспечения однородности нагрева) воздействуют СВЧ энергия (Р) в микроволновых секциях (МВ), и энергия нагретого воздуха (Q₂), в направлении перпендикулярном потоку СВЧ энергии и направлению движения транспортера, в конвекционных секциях (К). Влага из секций установки удаляется воздушной системой влагоудаления (Q₁). Количество периодов СВЧ и конвекционных воздействий (количество циклов) n необходимо определить в ходе исследований.

1.7. Выводы по главе
В главе выполнен аналитический обзор оборудования и технологий сушки зерновой продукции, в том числе семян с твердой оболочкой. Описан механизм обезвоживание продуктов при воздействии на него микроволнового излучения СВЧ диапазона. Проведен анализ существующего оборудования для реализации микроволновых технологий обезвоживания. Обоснована идея чередующегося многоциклового воздействия на продукт микроволнового и конвекционного потоков, с целью улучшения качества производимого продукта и уменьшения энергозатрат.

- - - -