Импульсная инфракрасная сушка семян овощных культур, нетрадиционных и редких растений

Одной из основных задач для земледельцев является повышение производства семян. Чтобы её решить, необходимо осуществить комплекс агротехнических решений, важнейшее из которых — посев семенами лучших высококачественных и районированных сортов. Подготовка семян должна основываться на научных началах и осуществляться промышленным способом на семяобрабатывающих станциях, в цехах и на механизированных потоках, оснащенных современным оборудованием для активного вентилировании, сушки, сортирования, псевдоожижения и других технологических процессов. Только такая технология подготовки семян позволит сохранить их высокие посевные качества и всхожесть. Без комплексной механизации обработки семян сложно вести селекционно-опытные работы на современном уровне, расширять объемы производства и повышать эффективность селекции. Проблемы механизации в селекции и сортоиспытании овощных культур в РФ в настоящее время решаются в основном путём закупки импортной техники, модернизации устаревшей, разработанной ранее ВИМ, НПО «Селекционная техника» г. Симферополь, Киевским СКБ, МолдНИИЗиО.

Процессы сушкп дисперсных термолабильных материалов широко распространены в химической, пищевой и других областях промышленности, а также в сельскохозяйственном производстве. Качество высушенных материалов в значительной степени зависит от способа и режимов сушки. Хотя обработка таких материалов, как семена, известна в практике человеческой деятельности с незапамятных времён, но научные и инженерные основы этих процессов стали предметом исследований лишь в предыдущее столетие.

Одной из важных составных частей технологии послеуборочной обработки семян является их сушка, от условий проведения которой в большой степени зависит качество посевного материала. В настоящее время сушка семян овощных культур, нетрадиционных и редких растений осуществляется либо естественным способом при комнатной температуре, либо в сушильных шкафах с электрическим обогревом. Сушка семян в естественных условиях отличается большой длительностью и требует больших производственных площадей. Сушка семян в электрически подогреваемых шкафах происходит в условиях естественной конвекции и также продолжительна. Вместе с тем, в семеноводческих хозяйствах продукция семян овощных культур, нетрадиционных и редких растений многоассор-тиментна и требует для обеспечения качества семян быстрого их высушивания до кондиционной влажности, требуемой технологическим регламентом.

В связи с этим интенсификация процесса сушки семян с целью их быстрой и качественной сушки, энергосбережения, представляет актуальную задачу.

Данная работа, выполненная на кафедре теплотехники и энергообеспечения предприятий ФГОУ ВПО «Московский государственный агроин-женерный университет им. В. П. Горячкина как раз и посвящена разработке способа быстрого и качественного высушивания семян овощных культур, нетрадиционных и редких растений до кондиционной влажности, требуемой технологическим регламентом.

Автор выражает большую благодарность и признательность научному руководителю профессору С. П. Рудобаште за помощь в выборе научного направления диссертации, рекомендаций по конструкции сушильной установки и большое внимание к анализу полученных результатов, а также профессорам кафедры теплотехники и энергообеспечения предприятий МГАУ — М. С. Ильюхину, Н. И. Малину за ценные замечания и полезные советы при написании диссертации, профессору, заслуженному деятелю науки и техники, заведующему лабораторией интродукции и семеноведения ВНИИССОК Всероссийского НИИ селекции и семеноводства овощных культур РАСХН, д. с.-х. наук — П. Ф. Кононкову за помощь в предоставлении семенного материала и полезные советы, методические указания и рекомендации по семеноведению и семеноводству овощных, бахчевых культур и редких растений, программисту компании Scale Cas Павлу Орлову — за помощь в создании программы для архивирования данных в автоматическом режиме, компании Owen — за предоставление необходимых приборов для проведения экспериментов, а также всем, кто помогал ценными советами и новыми знаниями в создании данной технологии.

Общая характеристика работы Актуальность темы диссертации.

Сушка — не только тепломассообменный, но и технологический процесс, который значительно влияет на качество высушиваемого материала. Сушку семян овощных культур, нетрадиционных и редких растений нужно осуществлять таким образом, чтобы не только максимально сохранить их посевные качества, но и по возможности их улучшить. Одним из путей решения этой задачи является применение импульсного инфракрасного способа сушки, позволяющего поддерживать температуру высушиваемого материала в заданных пределах и тем самым сохранять их высокие посевные качества. Однако применительно к сушке семян овощных культур, нетрадиционных и редких растений он не исследовался.

В связи с этим исследование импульсной ИК-сушки семян овощных культур, нетрадиционных и редких растений с целью разработки рекомендаций по аппаратурно-технологическому оформлению процесса и повышения посевных качеств семян представляет актуальную задачу, решение которой и составляет содержание данной работы.

Объект исследования: семена овощных культур, нетрадиционных и редких растений.

Предмет исследования: процесс импульсной ИК-сушки семян и посевные качества семян, высушенных этим способом.

Цель работы'. разработка рекомендаций по аппаратурно-технологическому оформлению процесса импульсной ИК-сушки семян овощных культур, нетрадиционных и редких растений и повышение посевных качеств семян.

Связь диссертации с планами работы университета.

Диссертация выполнялась в соответствии с соглашением о сотрудничестве между ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина» и ГНУ «Всероссийским научно — исследовательским институтом селекции и семеноводства овощных культур» (ВНИИССОК) (см. приложение 6).

Научная новизна результатов работы:

— предложен новый способ импульсной ИК-сушки семян овощных культур, защищённый патентом на изобретение;

— изучено влияние типа излучателей и их расположения в сушилке на кинетические и энергетические характеристики процесса импульсной ИК-сушки семян овощных культур, нетрадиционных и редких растений;

— сформулирована аналитическая задача кинетики импульсной ИК-сушки семян, на основе решения которой разработана математическая модель процесса, получены экспериментальные данные по её параметрам и разработана методика инженерного расчёта сушилки;

— получены данные по влиянию способа импульсной ИК-сушки и типа излучателей на всхожесть и энергию прорастания исследуемых семян;

— показано влияние плотности потока излучения при импульсной ИК-сушке на увеличение всхожести семян и получено регрессионное уравнение для его описания.

Практическая ценность полученных результатов:

— полученные в результате исследования данные обосновывают целесообразность и эффективность применения импульсной инфракрасной сушки для семян овощных культур, нетрадиционных и редких растенийданы рекомендации по энергосберегающему аппаратурно-технологическому оформлению процесса импульсной ИК-сушки семян овощных культур, которое обеспечивает повышение их всхожести и энергии прорастания;

— разработана методика инженерного расчёта импульсной ИК-сушки семян овощных культур, которая может быть использована в практических расчётах, получены данные, необходимые для её реализации;

— разработанные в диссертации режимы и параметры технологии импульсной инфракрасной сушки семян овощных культур позволяют снижать затраты на сушку, посев и повышают посевные качества семян.

Реализация результатов исследований.

Разработанная технология импульсной инфракрасной сушки семян овощных культур, нетрадиционных и редких растений внедрена во ГНУ ВНИ-ИССОК (М.О., Одинцовский район., пос. Лесной городок), методика инженерного расчёта процесса импульсной ИК-сушки семян овощных культур, нетрадиционных и редких растений используется при преподавании дисциплины «тепломассообменное оборудование предприятий» на кафедре теплотехники и энергообеспечения предприятий ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина».

Основные положения, выносимые на защиту:

— способ импульсной ИК-сушки семян овощных культур, нетрадиционных и редких растений, а также устройство для его реализации;

— результаты экспериментальных исследований процесса импульсной ИК-сушки семян овощных культур, нетрадиционных и редких растений и данные их обработки;

— формулировку задачи, описывающей кинетику импульсной ИК-сушки семян овощных культур, нетрадиционных и редких растений, математическую модель на её основе, экспериментальные данные по параметрам модели, методика инженерного расчёта сушилки;

— результаты исследований всхожести и энергии прорастания семян овощных культур, нетрадиционных и редких растений, высушенных с использованием импульсной ИК-сушки, а также экономический эффект от её применения.

Апробация результатов работы:

Основные положения работы докладывались и обсуждались на: научнотехнических конференциях преподавателей и сотрудников МГАУ (г. Москва, Россия 2007;2009 гг.) — УШ-м международном симпозиуме «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования» (Москва, 2226 июня 2009 г.) — Седьмой Международной теплофизической школе «Теп-лофизические исследования и измерения при контроле, управлении и улучшении качества продукции, процессов и услуг» (Тамбов, 20−25 сентября 2010 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 научные работы, в том числе 2 работы из перечня ВАК, получен 1 патент на изобретение № 2 393 397.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы, изложена на 161 -ой страницах основного машинописного текста, содержит 70 рисунков, 38 таблиц, списка использованных источников (117 наименований) и приложения.

1.8. Выводы. Цели и задачи исследования.

Выполненный в настоящей главе анализ литературных данных позволил сделать следующие выводы:

1. Семена овощных культур, нетрадиционных и редких растений характеризуются малыми объёмами производства, что необходимо учитывать при выборе способа Pix сушки. Их свойства, как объектов сушки, и кршетика сушки мало изучены.

2. Одним PI3 перспективных способов супит семян овощных культур, нетрадрщионных и редких растенрш является ршпульсный ИК-способ, nppi котором можно создать щадяпщй температурный режрш и осуществлять стимуляцию семян, улучшающую Pix посевные качества.

3. Причршами, сдерживающими использованрш ИК-сушкР1 семян овощных культур, нетрадиционных и редких растений, является отсутствие:

1) рекомендаций по выбору излучателей, их размещению в сушилке, температурным режимам сушки;

2) информации по влиянию процесса ИК-сушки на посевные качества материала.

4. Наиболее подходящими по своим спектральным характеристикам для проведения ршпульсной ИК-сушки семян овощных культур, нетрадрр-ционных и редких растений являются те излучатели, у которых максимум рплучения находрггся в пределах от 1,2 до 3,3 мкм. К их числу относятся, в частности, излучателр! «КГТ», «OSRAM», «ELCER».

5. Для импульсной ИК-сушки тонких материалов, к числу которых относятся семена овощных культур, нетрадиционных pi редких растенрш, nppi условии высушиванрш их в монослое в наР1большей степени подходят те излучатели, которые обеспечивают максимальную глубину пронршновепия поглощаемой лучистой энергии внутрь материала.

6. Для обеспечения высокого качества семян овощных культур, нетрадиционных и редких растений их температура в процессе сушки не должна превышать 45 °C.

Исходя из вышеизложенного, можно сформулировать следующие задачи исследования процесса импульсной ИК-сушки семян овощных культур, нетрадиционных и редких растений: Задачи исследования.

— разработать способ и устройство для импульсной ИК-сушки термолабильных материалов;

— разработать информационно-измерительную и управляющую систему для процесса импульсной ИК-сушки;

— изучить тепломассообмен и энергозатраты при импульсной ИК-сушке семян овощных культур, нетрадиционных и редких растений с использованием различных излучателейпо результатам исследований разработать рекомендации по проведению этого процесса;

— разработать математическую модель кинетики импульсной ИК-сушки семян овощных культур, нетрадиционных и редких растений, получить экспериментальные данные по параметрам модели, разработать методику инженерного расчёта сушилки;

— исследовать всхожесть и энергию прорастания семян, высушенных им-пуль-сным ИК-способом и оценить экономический эффект от его применения.

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА.

2.1. Разработка информационно-измерительной системы по управлению процессом импульсной ИК-сушки.

Импульсный режим ИК-сушки является необходимым процессом для получения качественного посевного материала, так как не подвергает его перегреву, приводящему к денатурации белков. Такой режим не позволяет превышать предельно допустимую температуру нагрева семян, так как её превышение ведет к снижению или полной утрате семенных качеств и последующей потери всхожести [60].

Для проведения импульсной ИК-сушки семян был разработан способ, защищённый патентом на изобретение № 2 393 397, приоритет изобретения 26 мая 2009 г. 27.06.10. В известных способах ИК-сушки температурные интервалы задаются задатчиком с постоянной продолжительностью цикла «нагрев — охлаждение». Отличие данного способа состоит в том, что сушку ведут в сушильной камере в переменном по времени импульсном (осциллирующем) режиме «нагрев — охлаждение» с переменными в нём составляющими стадий «нагрева и охлаждения», при этом нагрев осуществляется ИК-лучами с длиной волны 0,8−10 мкм., а контроль температуры высушиваемого материала осуществляется с помощью оптического пирометра.

Выбранный технологический процесс сушки предусматривает измерение и регулирование температуры материала. Решение этой задачи осуществлялось на основе информационно-измерительной и управляющей системы (ИИУС), с использованием приборов копании «ОВЕН» таких как: термоконтроллер ТРМ202, преобразователь интерфейса АС4 и различных датчиков для измерения параметров. Эти приборы и программное обеспечение не только позволяют регулировать процесс сушки, но и архивировать данные для последующего анализа [37, 63].

Общий вид установки, на которой проводились опыты по импульсной ИК-сушке семян овощных культур, нетрадиционных и редких растений, показан на рис. 2.1. б).

Рис. 2.1. Общий вид экспериментальной установки: а) — вид спередиб) — вид сбоку.

Система управления процессом импульсной РЖ-сушки семян овощных культур и редких растений разрабатывалась в данной работе на программном обеспечении компании «Овен» и использовании средств автоматики этой фирмы. Суть управления процессом сводится к постоянному опрашиванию приборов — датчиков, установленных в сушильной камере, которые, по заданным уставкам температур сушимого материала, обеспечивают импульсный режим сушки.

Осуществляется это с помощью термоконтроллеров в которые, устанавливается данная температурная «уставка» и заводятся сигналы от датчиков. Принципиальная схема автоматического управления процессом импульсной ИК-сушки представлена на рис. 2.2.

Эл. Сеть и~220 В.

Рис. 2.2. Принципиальная схема автоматического управления процессом импульсной ИК-сушки семян.

Установка состояла из сушильной камеры 1 с размещёнными в нём инфракрасными электрическими излучателями 2, датчиком оптического пирометра 3 и сетчатым поддоном с высушиваемым материалом 5, расположенном на лабораторных весах 12. Система автоматического регулирования включала в себя датчик оптического пирометра 3, электронный блок пирометра 8, блок питания 9, автоматический регулятор ТРМ202.

Через сушильную камеру с помощью вентилятора 7 продувался наружный воздух (без подогрева), который поступал через воздухозаборное отверстие 4, а удалялся в атмосферу через отводящий патрубок 6.

На поверхности, облучаемой PIK излучателями, было предусмотрено измерение температуры семян оптическим датчиком — бесконтактным пирометром Raytek MID с выходом стандартного сигнала 4−20 мА., а индикация значений температуры осуществлялась 2-х канальным измерителем-регулятором ТРМ202. Второй канал этого регулятора отображал температуру воздуха на входе в сушильную камеру, измеряемую термометром сопротивления 11 марки дтс 014−50м.в-3.20/0.2.

В установке было предусмотрено также измерение относительной влажности и температуры воздуха на выходе из камеры, которое осуществлялась датчиком «влажности и температуры 13 марки MELA», с двумя каналами измерения сигнала 4−20 мА. Индикация значений температуры и влажности осуществляется на втором 2-х канальном измерителе-регуляторе ТРМ202. Все сигналы от регуляторов ТРМ202 передались на адаптер интерфейса 14 марки АС 4, поступали на компорт ПЭВМ — 15 и архивировались в программе Owen Report Viewer с возможностью последующей обработки данных.

Убыль влаги, в процессе ИК-сушки, измерялась лабораторными весами 12 марки Scale Cas MWP — 300, а получаемые при этом данные периодически (каждую мину ту) архивировались в программу — для удобства проведения эксперимента и возможности их последующего анализа.

Определение влажности семян [94, 95]. Высушенный материал помещали в бюксы, предварительно взвешенные и пронумерованные, и взвешивали навеску материала с бюксом. После проведения опыта определяют влажность материала весовым методом по.

ГОСТ 12 041 — 82 «Семена сельскохозяйственных культур. Метод определения влажности». Для этого бюксы с открытыми крышками помещали в воздушный термостат и выдерживали в нём при условиях t = 130 °C в течение г = 40. .60 мин. (в зависимости от культуры). После этого, бюксы из термостата вынимали, надевали на них крышки, и далее они остывали в эксикаторе до комнатной температуры, после чего производилось взвешивание бюкса с высушенным материалом.

Влажность семян в процентах (W, %) вычисляли с точностью до 0,1% влажности по формуле: хЮО. (21).

M2-Mx где: М] - масса пустого бюкса и его крышки, гМ2 — масса бюкса с крыш шкой и навеской до сушки, гМ3 — масса бюкса с крышкой и навеской после сушки, гМз — масса бюкса с крышкой и навеской после сушки, г [60].

По результатам измерения влажности образцов, взятых на анализ через различные значения времени сушки, строили кривую сушки, рассчитывали и строили кривую скорости сушки, анализировали процесс с помощью Microsoft Excel. Расчет кривой скорости сушки из кривой сушки осуществляли с помощью программы Advanced Grapher v. 2.1.

Процесс импульсной ИК-сушки осуществляли следующим образом. На блоке управления устанавливали максимальную tmax и минимальную tmin температуры нагрева материала в процессе сушки, а также общее время сушки слоя семян, раскладываемых на сетчатый поддон, который устанавливали в корпус сушильного шкафа, и далее сушили путем облучения ПК — лучами в импульсном режиме «нагрев-охлаждение» при подаче атмосферного воздуха. В процессе ПК — энергоподвода температура материала повышалась до предельно допустимого значения, заданного на автоматическом регуляторе, после чего происходило отключение электронагревателей. В результате обдува материала холодным воздухом температура его понижалась до заданного на автоматическом регуляторе минимального значения, и происходило включение нагревателей. Далее цикл повторялся.

По окончании процесса сушки установку отключали, полученные данные сохранялись в компьютере.

В работе использовали следующие инфракрасные излучатели и субинфракрасные лампы с разными оптическими характеристиками, а именно:

— кварцевые галогенные трубчатые лампы накаливания КГТ — 220 — 600 мощностью Р = 600 Вт Саранского лампового завода;

— OSRAM Siccatherm мощностью Р = 250 Вт (производство Германии);

— керамические излучатели ELCER ECS1 мощностью Р = 650 Вт (производство Польши).

Выбор указанных излучателей обусловлен соответствием их спектральных характеристик таковым исследуемых материалов (см. гл. 1).

Излучатели в каждом опыте размещали над высушиваемым материалом, в количестве двух штук. Высушиваемый материал находился под излучателями симметрично по отношению к ним. Варьируемыми параметрами в опытах были: 1) семена различных овощных культур, нетрадиционных и редких растений- 2) высота размещения излучателей над высушиваемым материалом- 3) расстояние по горизонтали между излучателями (интервал), 4 — скорость обдува.

2.2. Измерительные приборы и их характеристики.

Используемые в опытах перечисленные выше приборы, дают при проведении эксперимента определённые погрешности, анализируемые ниже. Весы. Лабораторные весы марки «Scale Cas MWP — 300» электронного типа имеют максимальную массу взвешивания 300 г. и возможность обнуления массы тары и ряд дополнительных функций. Погрешность весов составляет не более 0,01 г., до взвешиваемой массы в 50 г. Для этих весов нами была написана программа автоматической архивации веса — «CAS MWP"'— система сбора данных, что облегчило проведение эксперимента. Измерители температуры. 1. Пирометр Raytek MD LT 02.

Пирометр — измерительный преобразователь температуры по ИК-излучению. Принцип его действия основан на измерении энергетической яркости части ИК-излучения объекта, прошедшего через оптическую систему и поглощенного его приемником, и преобразовании измеренной яркости в выходной сигнал, пропорциональный температуре объекта. Для достоверности показаний должны быть соблюдены указанные в подрисуночной подписи расстояния, а ширина пятна измерения температуры не должна выходить за область размещённых семян на поддоне.

Оптическая диаграмма датчика приведена на рис. 2.3. 1 I, А Н з —ШПШХЦ D.

Рис. 2.3. Схема измерения температуры семян пирометром Raytek MID LT 02: 1 — оптический датчик с отходящим кабелем- 2 — высушиваемые семена- 3 — сетчатый поддонН — высота расположения датчика пирометра над материалом, D — ширина пятна измерения температуры, (H:D = 2:1). На рис. 2.3 показано расстояние до измеряемого объекта и диаметр пятна.

Технические характеристики пирометра Raytek MID LT 02 приведены в табл. 2.1.

Заключение

и выводы по работе.

1. Разработаны способ импульсной ИК-сушки семян овощных культур, нетрадиционных и редких растений и устройство для её реализации.

2. Разработана информационно-измерительная и управляющая система для процесса импульсной ИК-сушки, которая позволяет поддерживать максимальную и минимальную температуру материала.

3. Экспериментально показана целесообразность применения импульсного ИК-способа для сушки семян овощных культур, нетрадиционных и редких растений.

4. В результате изучения тепломассообмена при импульсной ИК-сушке при условии поддержания одинакового диапазона температур нагрева (34−40°С) высушиваемых семян варьирование типа исследованных излучателей и создаваемой ими плотности теплового потока в рассмотренных диапазонах влагосодержаний материала приводит к изменению времени сушки не более 5%.

5. Удельные энергозатраты на ИК-сушку исследованных семян с увеличением плотности теплового потока возрастают, особенно при ¿-/ср> 1800 Вт/м", поэтому превышение этого значения нецелесообразно.

6. Для термолабильных материалов предпочтительно применение ламповых излучателей «0811АМ» и «КГТ», т.к. инерционность керамического излучателя «ЕЬСЕЯ» затрудняет поддержание задаваемого температурного интервала.

7. Сформулирована задача, описывающая кинетику импульсной ИК-сушки исследованных семян, на основе которой разработана математическая модель процесса, получены экспериментальные данные по параметрам модели, разработана методика инженерного расчёта сушилки.

8. Импульсная ИК-сушка, вызывает значительное повышение всхожести и энергии прорастания. В среднем для всех семян овощных культур в зависимости от типа излучателя всхожесть увеличивается на 11 — 24% (от контроля), а энергия прорастания — на 12 — 73%, а для семян нетрадиционных и редких растений — соответственно на 13 — 24% и на 14 — 82%.

9. Наибольшее увеличение всхожести и энергии прорастания семян обеспечивает лампа «08КАМ» (в среднем по всем овощным культурам — соответственно на 24% и 30% от контроля), а для семян нетрадиционных и редких растений — соответственно на 24% и 82%.

10. Импульсную ИК-сушку семян овощных культур, нетрадиционных и редких растений целесообразно применять для досушки семян лампами «ОЭКАМ», что позволяет получать значительный экономический эффект. Для семян томата он составляет 239,2 тыс. руб. на 100 кг семян.