Сушка и предпосевная стимуляция семян осциллирующим электромагнитным полем в инфракрасном диапазоне частот

Одна из основных задач сельскохозяйственного производства — повышение урожайности выращиваемых культур на основе использования современных технологий возделывания. Эффективным способом её решения является, в частности, повышение качества посевного материала с помощью воздействия на семена физическими факторами [1]. Для этого в сельскохозяйственной практике используют разнообразные приемы предпосевной обработки семян — обогрев, воздействие токами высокой частоты и др. Однако пока нет четко подобранных режимов для определенных культур, не выяснен физиолого-биомеханический механизм стимулирующего влияния физических факторов на семенной материал.

Живые организмы на протяжении тысячелетий формировались в условиях определенного геомагнитного поля, и вполне естественно, что они реагируют на изменение этого поля.

Прорастание семян — один из наиболее важных и сложных процессов, влияющих на прохождение всех последующих стадий развития организма. Оно характеризуется интенсивным обменом, запасные питательные вещества претерпевают значительные изменения, превращаются в жизненно необходимые для молодого организма соединения, обеспечивающие рост зародыша.

Всхожесть — важный показатель, характеризующий посевные качества семян, нормируемых государственным стандартом. Под ней понимают способность семян образовывать нормальные проростки. Всхожесть семян, определяемая в лабораторных условиях в соответствии с требованиями нормативно-технической документации, называется лабораторной всхожестью семян. Одновременно с лабораторной всхожестью определяют энергию прорастания семян, т. е. количество нормально проросших семян за определенный для каждой культуры короткий период времени. Последняя характеризует дружность и быстроту прорастания семян.

Сушка семян различных сельскохозяйственных культур является одной из основных операций их последующей обработки. Она осуществляется с целью придания семенам определенной влажности для обеспечения возможности длительного их хранения. Сушка является не только тепло-массообменым, но и технологическим процессом, который значительно влияет на качество высушиваемого материала. Её нужно осуществлять таким образом, чтобы не только сохранить посевные качества семян, но и по возможности их улучшить. Одним из путей решения этой задачи является применение осциллирующего инфракрасного способа сушки, позволяющего поддерживать температуру высушиваемого материала в заданных пределах и тем самым сохранять высокие их посевные качества, в частности энергию прорастания и всхожесть семян. Однако в настоящее время этот процесс изучен недостаточно. Предшествующие исследования показали [2, 3], что в процессе осциллирующей инфракрасной сушки (ИК-сушки) происходит не только сохранение посевных качеств семян, но и их улучшение. Однако этот процесс исследован далеко не полностью, не изучено сохранение стимулирующего эффекта в зависимости от продолжительности хранения семян до момента их высева, не исследовано влияние начальной влажности семян и продолжительности ИК-воздействия на качественные показатели семян, возможность перенесения результатов исследования, полученных на семенах овощных культур, нетрадиционных и редких растений, на семена других культур. Не исследована динамики температурного поля, развивающегося в семени при осциллирующей ИК-сушке.

Вышеизложенное предопределяет актуальность избранной темы и определяет цель и задачи исследования.

Данная работа, выполненная на кафедре теплотехники и энергообеспечения предприятий ФГБОУ ВПО «Московский государственный агро-инженерный университет им. В.П. Горячкина».

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.

Общая характеристика работы Актуальность темы диссертации. Одной из основных задач сельскохозяйственного производства является повышение урожайности выращиваемых культур на основе использования современных технологий возделывания. Эффективным способом её решения является, в частности, повышение качества посевного материала с помощью воздействия на семена физическими факторами. Для этого в сельскохозяйственной практике используют разнообразные приемы предпосевной обработки семян — обогрев, воздействие электромагнитным полем и др. Перспективным способом сушки и стимуляции семенного материала является его термообработка инфракрасными лучами с применением осциллирующего температурного режима. При применении этой технологии исключается перегрев материала, и улучшаются его семенные качества, сокращаются энергозатраты и увеличивается эффективность сушки.

Однако этот процесс исследован далеко не полностью, не изучено сохранение стимулирующего эффекта в зависимости от продолжительности хранения семян до момента их высева, не исследовано влияние начальной влажности семян, продолжительности ИК-воздействия температурного режима ОИКТ на качественные показатели семян, длительности сохранения эффекта стимуляции. Не исследована динамики температурного поля, развивающегося в семени при осциллирующей ИК-сушке.

Вышеизложенное предопределяет актуальность избранной темы и определяет цель и задачи исследования.

Объект исследования: семена овощных культур, отличающиеся низкой всхожестью.

Предмет исследования. Осциллирующая инфракрасная термообработка семян как средство сушки и стимуляции семян.

Методы исследования. Лабораторные экспериментальные исследования ИК-термообработки, энергии прорастания, всхожести семян, их влажности в соответствии с нормативными документами, статистические методы обработки опытных данных, аналитические методы теплопроводности, методы математического моделирования с постановкой вычислительных экспериментов.

Цель работы. Совершенствование технологий сушки и стимуляции семян.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Определить, какое место занимает осциллирующая ИК-термообработка (сушка) семян в системе производства и подготовки семян к посеву. Установить режимы и параметры осциллирующей ИК-термообработке (ОИКТ), при которых достигается наибольший эффект стимуляции семян, т. е. повышение энергии прорастания и всхожести.

2. Провести теоретическое исследование тепломассопереноса при осциллирующем электромагнитном подводе энергии к высушиваемому материалу, в том числе при ОИКТ.

3. Разработать инженерную методику расчёта процесса осциллирующей ИК-сушки семян.

4. Исследовать массопроводные свойств семян и их равновесную влажность, что необходимо для реализации этой методики.

5. Дать анализ экономической эффективности осциллирующей ИКтермообработки (сушки) семян. Научная новизна результатов работы.

1. Определен характер влияния технологических параметров ОИКТ: начальной влажности семян (длительности замачивания при предпосевной обработке), продолжительности ИК-термообработки, максимальной температуры нагрева семян в цикле, температурного гистерезиса, длительности хранения семян после ОИКТ, на величину стимулирующего эффекта.

2. Впервые сформулирована и аналитически решена задача взаимосвязанного тепломассопереноса в пластине (слое) при электромагнитном энергоподводе.

3. Проведено компьютерное моделирование процесса ИК-термообработки, показана целесообразность ее применения для выбора режимных параметров процесса. Проанализирован эффект термовлагопроводности в этом процессе.

3. Предложен метод расчета ИК-сушки с использованием найденного решения. Исследованы массопроводные и гигротермические свойства ряда семян.

4. Дана экономическая оценка эффективности применения ОИКТ для сушки семян, собранных с поля, и для их предпродажной и предпосевной стимуляции.

Практическая ценность полученных результатов и их реализация.

1. Полученные в результате исследования данные обосновывают целесообразность и эффективность применения осциллирующей инфракрасной термообработки жизнеспособных семян, особенно с низкими посевными качествами.

2. Определены режимы и параметры осциллирующей ИК-термообработки исследованных семян с целью достижения наибольшего стимулирующего эффекта. Подана заявка на патент (№ 2 012 158 013,.

28.12.20 112 «Способ осциллирующей инфракрасной термообработки семян).

3. Предложен метод расчёта кинетики осциллирующей ИК-сушки для практического использования данных по массопроводности и равновесному влагосодержанию семян.

4 Рекомендованы типы аппаратов для проведения процесса ОИКТ и дана экономическая оценка целесообразности применения осциллирующей ИК-технологии для сушки семян, собранных с поля, и для их предпродажной и предпосевной стимуляции.

5. Разработанные методики экспериментального исследования ИК-стимуляции семян и теоретически обоснованные методы расчета взаимосвязанного тепломассопереноса при осциллирующей электромагнитной сушке материалов могут быть использованы для решения аналогичных задач для других объектов исследования и используются в учебном процессе при подготовке магистров по направлению 140 100.68 — «Теплоэнергетика и теплотехника».

Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на IV междунар. научно-практич. конф. «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка, термо-влажностная обработка материалов), СЭТТ-2011 «(Москва, 2011) — междунар. научно-практич. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Ре-сурсоэнергосберегающие технологии и оборудование» (Киев. Национальный технич. ун-т. Украины, 2011) — междунар. научно-практич. конф. «Инновационные энергоресурсосберегающие технологии» (Москва, 2012) — награжден грамотой за активное участие во II этапе Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди аспирантов вузов Министерства сельского хозяйства РФ по Центральному федеральному округу (технич. науки) (Рязань, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 3 статьи в ведущих рецензируемых журналах из перечня ВАК. Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы, изложена на 197-ми страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков, 22 таблицы, список использованных источников (135 наименований) и приложения.

Выводы по главе 4.

1. Математически сформулирована и аналитически решена задача взаимосвязанного тепломассопереноса для пластины (слоя) в условиях осциллирующей электромагнитной сушки (РЖ-сушки, сушки токами высокой частоты, сушки токами сверхвысокой частоты).

2. Путём сравнения расчетных кривых нагрева с имеющимися в литературе экспериментальными кривыми нагрева при осциллирующей РЖ-сушке показано, что полученное аналитическое решение задачи динамики нагрева пластины в условиях осциллирующей электромагнитной сушки, адекватно описывает реальный процесс и, следовательно, может быть использовано для инженерных расчетов.

3. В совокупности с решением задачи массопроводности оно позволяет рассчитать температурное поле в материале, изменение среднеобъем-ной температуры тела во времени и градиент температуры (например, у поверхности материала), что несёт в себе информацию, существенную для анализа и организации процесса сушки термолабильных материалов, в том числе и семян сельскохозяйственных культур.

4. Данное решение применимо для расчета кинетики и динамики нагрева плоского тела как при чистом (без массообмена) осциллирующем теплообмене, так и при осциллирующем теплообмене тела в условиях его сушки.

5. Выполненными численными расчетами проиллюстрировано влияние на динамику осциллирующего ИК-нагрева таких параметров процесса, как интенсивность теплообмена с внешней газовой средой и интенсивность сушки.

6. Полученное решение позволяет путем численных расчетов правильно выбирать скорость обдува газовой средой поверхности тела, что важно для термолабильных материалов;

7. Показано, что при осциллирующей ИК-сушке у поверхности материала возникает отрицательный температурный градиент. Он вызывает поток термовлагопроводности, который, складываясь с потоком массопровод-ности, интенсифицирует процесс — в отличие от потока термовлагопроводности при конвективной сушке, который замедляет процесс.

8. Для повышения точности кинетического расчета процесса ИК-сушки семян зональным методом при выборе значений теплофизических характеристик, в частности, основного кинетического параметра — коэффициента массопроводности к — предложено определять среднюю температуру материала по толщине слоя и времени сушки в концентрационных зонах по уравнениям (4.52), (4.59), (4.60). Проведены расчеты, иллюстрирующие эту методику.

Глава 5. Аппаратурное оформление осциллирующей ИК-термообработки семян, инженерная методика расчёта сушилки, экономический анализ эффективности процесса осциллирующей термообработки семян.

5.1. Аппаратурное оформление процесса.

Осциллирующая ИК-термообработка семян может осуществляться в трех случаях:

1) в процессе сушки семян, собранных с поля до влажности, необходимой для их закладки на хранение. При этом могут применяться разные способы сушки: естественная атмосферным воздухом в закрытом помещении, естественная солнечная под открытым небом, конвективная, осциллирующая инфракрасная и др. В этом случае основная задача — высушить семена, но осциллирующий ИК-способ сушки может стимулировать семена и стимулирующий эффект, как показано в диссертации, сохраняется длительное время (9 месяцев);

2) при стимуляции сухих семян с низкой всхожестью, взятых со склада, в качестве их предпродажной подготовки. В этом случае стимулироваться должны сухие семена — без их предварительного замачивания;

3) непосредственно перед посевом семян — с целью улучшения их посевных качеств. В этом случае семена целесообразно замачивать перед стимуляцией, т.к. это увеличивает эффект стимуляции.

В разных вариантах осциллирующей РЖ-термообработки семян, перечисленных выше, количество обрабатываемых семян разное и поэтому применяемый тип аппарата должен быть разным. При относительно большом количестве обрабатываемых семян (несколько сот килограммов в сутки) целесообразно применять непрерывно действующие сушилки. Непрерывную осциллирующую РЖ-сушку (стимуляцию) семян можно проводить либо в ленточной (конвейерной) сушилке, либо в сушилке с виброслоем, оснащённой РЖ-излучателями. Промышленность выпускает аппараты обоих типов и они могут быть взяты за основу для организации рас.

127 возможностей сушилки ИК-излучатели (лампы ОБИАМ ЗюсаШегт) закреплены в сушилке таким образом, чтобы можно было изменять шаг и высоту подвеса ламп над высушиваемым материалом. Сушилка должна быть оснащена информационно-управляющей системой, описанной в главе 2, которая позволит реализовать выбранный осциллирующий режим сушки-стимуляции семян и, при необходимости, изменять температурный режим сушки. Контроль за высушиваемым материалом осуществляется с помощью приборов, участвующих в процессе осциллирующей ИК-сушки, они регулируют температуру материала в заданных пределах tmin. 1тах.

В качестве излучателей рекомендуется использовать лампы С^ЯАМ ЗюсаШегт, т.к. из числа исследованных в [2] излучателей (лампы 0811АМ ЗюсаШегт, трубчатые лампы накаливания КГТ-220 — 600, керамические излучатели ЕЬСЕЯ ЕС81) эти лампы, имеющие максимум излучения на длине волны —1,1 мкм, обеспечивают наибольший стимулирующий эффект семян. Эти лампы имеют диаметр колб 127 мм. При организации процесса лампы следует располагать таким образом, чтобы плотность тепл лового потока, поступающего на семена, составляла -1900 Вт/м, как обеспечивающая максимальную всхожесть и энергию прорастания семян в интервале приемлемых энергозатрат на проведение процесса [2].

В [2] получены графики распределения плотности теплового потока по плоскости, находящейся под двумя лампами ОБИАМ БюсаШегт при различных высотах их подвеса, представленные на рис. 5.3. Координата х на рис. 5.3 показывает расстояние от центральной линии на плоскости, находящейся между лампами в сторону одной из ламп, расстояние между осями ламп составляет 0,18 м. Как показывает рассмотрение графиков, при рекомендуемой в [2] плотности теплового потока д" 1900 Вт/м расстоянию между осями ламп? = 0,18 м в наибольшей степени соответствует высота подвеса ламп к — 0,12 м — как обеспечивающая наибольшую равномерность облучения поверхности. Эти геометрические размеры и следует принять при конструировании сушилки. д, Вт/м2.

4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 Э Я* 1П.

X, см.

Рис. 5.3. Распределение плотности теплового потока по координате х от центра блока из двух ламп 08ИАМ (расстояние между лампами 0,18м) при высоте подвеса ламп к: 1 — к = 0,08м- 2 — 0,12м- 3 — 0,15м- 4 — к = 0,18 м [И. Григорьев. Диссертация].

Лампы в сушилке в зависимости от ее конструкции могут располагаться в один или несколько рядов. Компьютерное моделирование наложения плотностей лучистого потока, создаваемых лампами ОЗЯАМ 8юса-Легш на плоскости, расположенной под ними, было проведено в [23]. Его результаты показали, что шахматное расположение ламп обеспечивает более равномерное распределение лучистого потока по поверхности. В соответствии с этой рекомендацией примем, что в случае нескольких рядов ламп в сушилке они располагаются в шахматном порядке с расстоянием между осями ламп Я = 0,18 м. Это при высоте подвеса ламп к — 0,12 м обеспечит среднюю плотность теплового потока на облучаемой поверхности ^ = 1900 Вт/м2.

Другим возможным вариантом аппаратурного оформления процесса осциллирующей РЖ-сушки (стимуляции) семян является исполнение ее на базе промышленно выпускаемой сушилки СВИК. Общий вид ее показан на рис. 5.4. Сушилка выполнена в виде горизонтального вибрационного кон.

131 ты ламп и поступает в сушилку, обеспечивая конвективный тепломассо-обмен и удаление паров испаряемой влаги. Отвод насыщенного влагой воздуха осуществляется вытяжным вентилятором через секции отвода паров, соединенных гибкими воздуховодами с коллектором. Высушенный материал перед выгрузкой из сушилки охлаждается воздухом, подаваемым приточным вентилятором в секцию охлаждения. Скорость транспортирования материала и время его обработки регулируется изменением скорости вращения вибраторов. Температура лотка под кассетами контролируется контактными термопарами, температура материала на выходе из сушилки контролируется бесконтактным датчиком (пирометром). В состав сушилки входит также шкаф управления 8, система отвода паров и система охлаждения материала (вентиляторы, гибкие воздуховоды, заслонки). После замены в сушилке СВИК ламп КГТ на лампы ОБИАМ ЗюсаЛегт и оснащения установки информационно-измерительной системой, обеспечивающей осциллирующий режим нагрева, она может быть использована для проведения рассматриваемого процесса осциллирующей ИК-сушки.

При небольших партиях семян, подвергаемых осциллирующей ИК-сушке или стимуляции семян процесс можно проводить в сушильном шкафу, внутрь которого помещаются лампы ОБИАМ БюсаШегт, а для создания осциллирующего температурного режима используется информационно-измерительная система, подобная той, что использовалась в опытах. В частности, для этих целей может быть использован сушильный шкаф ШС-80−01, выпускаемый отечественной промышленностью. Внутренние размеры шкафа: ширина I = 560 мм, глубина Ъ = 400 мм, высота к = 370 мм. Высота колбы лампы 08ИАМ 8юса1:11егт-220 — /гл = 100 мм. Таким образом, в такой шкаф можно поместить поддон с семенами и высотой слоя /гсл = 10 мм (слой можно подвергать ИК-термообработке, периодически перемешивая). Масса семян, подвергаемая осциллирующей ИК-термообработке, в этом случае составляет ас = /6ЛслРнас = 0,560−0,400−0,01−650 «1,5 кг. л где рнас= 650 кг/м — насыпная плотность семян лука.

Таким образом, за смену (6 часов) в шкафу можно термообработать количество семян.

Сом=Ссл = (?с—= 1,5 360 =10,8 кг,.

Чс"+*з+твыг 40 + 5 + 5 где пчисло партий семян, обрабатываемых в сменутсм= 360 мин — продолжительность смены, минт3 = твыг = 5 мин — продолжительность стадий загрузки и выгрузки, принятые равными по 5 мин. 5.2. Инженерная методика кинетического расчёта осциллирующей ИК-сушки.

Габариты сушилки должны быть согласованы с ее производительностью. Для этого выполняется инженерный кинетический расчет сушилки, целью которого является определение необходимого времени пребывания материала в аппарате, обеспечивающего заданную производительность. Ниже излагается инженерная методика расчёта осциллирующего процесса ИК-сушки.

Рассматриваемый в работе метод стимуляции семян может использоваться как осенью при высушивании семян, собранных с поля, в качестве предпродажной обработки семян, взятых со склада, а также непосредственно перед посевом. В последнем случае семена искусственно замачивают, затем помещают в сушильную камеру подвергают ИК-сушке (стимуляции) в течение 40 мин. При предпродажной и предпосевной ИК-стимуляции не стоит задача обеспечить высушивание материала до какой-то определенной конечной влажности. Необходимо обеспечить пребывание материала в зоне осциллирующего облучения, равное, как было установлено в главе 3, т = 40 мин = 240 с. При непрерывной сушке слой семян при ИК-термообработке на транспортерной ленте должен быть возможно более тонким (можно принять до 5 мм). При известной длине / рабочей зоны аппарата производительность аппарата по обрабатываемым семенам (7 (кг/ч) определяется выражением.

С = 3600/гслЯРнасУл, (5.1) где /гслвысота слоя, мВ — ширина слоя на ленте, мрнаснасыпная плотность семян, кг/м3- улскорость движения ленты, м/с.

Скорость движения ленты находят, исходя из длины рабочей зоны /, м и необходимого времени пребывания семян в зоне облучения тобл ©.

Ул=//т. (5.2).

Объединяя формулы (5.1) и (5.2), получим.

С = 3600^к?Рнас[ (5 3) т.

Таким образом, при имеющемся аппарате для ИК-термообработки семян (т.е. при фиксированной рабочей длине ленты Г) его производительность жестко связана со временем облучения т и не может быть изменена.

Иначе обстоит дело при ИК-сушке (стимуляции) семян, собранных осенью с поля. В этом случае стоит главная задача высушить семена от начальной (полевой) влажности и>н до конечной м>к, требуемой по условиям хранения. Величины и различны для разных семян и, кроме того, значение м>к для одного и того же вида семян может быть различным в зависимости от метеорологических условий, места произрастания семян, времени их сбора. В этом случае актуальной становится задача кинетического расчета процесса ИК-сушки, целью которого является определение продолжительности сушки т. Время сушки для ленточной (конвейерной) сушилки по-прежнему связано с производительностью аппарата уравнением (5.3) с тем лишь отличием, что время сушки т в данном случае является расчетной величиной.

Рассмотрим методику определения времени осциллирующей ИК-сушки.

Непрерывную осциллирующую ИК-сушку (стимуляцию) семян можно проводить либо в ленточной (конвейерной) сушилке, либо в сушилке с виброслоем, оснащённых ИК-излучателями. Промышленность выпускает сушилки такого типа и они могут быть взяты за основу для организации рассматриваемого процесса. На рис. 5.2 показана схема конвейерной (ленточной) установки, применяемой в настоящее время для термообработки зернопродуктов. После организации в ней потока холодного (атмосферного) воздуха, замены излучателей КГТ на излучатели С^ЯАМ 8юса-Шегш и оснащения ее информационно-управляющей системой, обеспечивающей осциллирующий температурный режим, она может быть использована для проведения рассматриваемого процесса.

На рис. 5.4 показана непрерывно действующая ИК-сушилка с виброслоем «СВИК»", промышленно выпускаемая ООО «КОНСИТ-А», в таблице 1.2 приведены технические характеристики типоразмерного ряда сушилок СВИК. Эти сушилки, оснащенные лампами КГТ, выпускаются четырех типоразмеров на разную производительность. После замены ламп КГТ на лампы ОБЯАМ БюсаШегт и оснащения установки информационно-измерительной системой, обеспечивающей осциллирующий режим нагрева, она может быть использована для проведения рассматриваемого процесса.

Габариты сушилки должны быть согласованы с ее производительностью. Это делается, как известно, путем инженерного кинетического расчета аппарата, целью которого является определение необходимого времени пребывания материала в аппарате, обеспечивающего заданную производительность.

Применительно к рассматриваемому процессу ИК-сушки была разработана методика ее инженерного кинетического расчёта. Она заключается в том, что сначала путем численных расчетов динамики нагрева слоя материала в условиях его осциллирующей ИК-сушки выбирается скорость воздуха, обеспечивающая должное охлаждение материала на стадиях от-лежки материала, когда излучатели выключены. Далее на основе зонального метода расчета кинетики сушки, развитого автором ранее, и полученных аналитических решений задачи динамики осциллирующего ИК-нагрева плоского материала, представленных в данной работе, рассчитывают продолжительность осциллирующей РЖ-сушки, т. е. необходимое время пребывания материала в сушилке. По нему при заданной скорости движения ленты или скорости движения материала на вибротранспортере определяют рабочую длину ленты.

Зная необходимое время пребывания материала в сушилке (время сушки) ф, можно при поверочном расчете найти производительность сушилки G (кг/час) по формуле.

G = 3600 (5.4) т где hcnвысота слоя, мВслширина слоя на ленте (транспортере), мсслл плотность слоя семян, кг/м — /СЛдлина слоя в рабочей зоне сушилки, м/с.

Произведение hcjiBcn /сл = Vp представляет собой рабочий объем сушилки Vp (м3). При прямом кинетическом расчете (ищутся габариты сушилки при заданной ее производительности) знание времени сушки ф позволяет найти рабочий объем.

5−5).

Р 3600р„

Время осциллирующей ИК-сушки семян предлагается определять следующим образом. Поскольку теплофизические характеристики семян в процессе сушки изменяются, то расчет времени сушки предлагается определять зональным методом, разбивая весь диапазон изменения влажности материала в сушилке на ряд концентрационных зон. Этот метод описан в [15] применительно к процессу конвективной сушки. При его применении для осциллирующей ИК-сушки требуются некоторые изменения в методике расчета, связанные со спецификой поведения температурного поля материала в процессе сушки. Как показывает рассмотрение кривых сушки, полученных в условиях осциллирующей ИК-сушки, осцилляции температуры материала ввиду их кратковременности и из-за инерционности поля влагосодержаний не отражаются на характере кривых сушки: они имеют монотонно убывающий характер без точек перегиба, как и при конвективной сушке. Поэтому расчет кривой сушки можно осуществлять без учета колебаний температуры в циклах — по средней температуре, находимой как среднеарифметическая величина из значений imin и imax-Последовательность расчета непрерывно действующей ИК-сушилки с осциллирующим энергоподводом.

При прямом кинетическом расчете задана производительность установки, а искомой величиной являются габариты сушилки, обеспечивающие заданную производительность. Итак, в этом случае заданы производительность сушилки по влажному материалу GH, кг/чначальная влажность семян JVH, конечная их влажность WK. Последовательность расчета.

1. Выбираем к установке конвейерную сушилку с неподвижным или виб-роожиженным слоем семян толщиной /?сл, излучатели OSRAM Siccatherm, которые располагаем на высоте h = 0,12 м, с шагом S = 0,18 м, что согласно вышеизложенному обеспечит плотность теплового потока q = 1900 Вт/м .

2. Задаем максимальную и минимальную температуру нагрева семян, соответственно imax и imin.

3. Определяем производительность сушилки по испаренной влаге:

WW.

Mr=Gh-а-—, кг/ч (5.6) вл «.

4. Расход сухого материала через сушилку составит.

GK = G" - Мвл, кг/ч. (5.7).

5. Для целей кинетического расчета по значениям fVH и WK определяем начальное и конечное влагосодержание семян (средние по объему семени).

W W й =-—, йк=-(5.8) н 1 -fT к 1 -WK У J н к.

6. Находим среднее влагосодержание семян в процессе ср=(««+^к)/2. (5.9).

7. Находим в первом приближении среднюю температуру высушиваемых семян в циклах как cp=('mi"+'ma*)/2. (5.10).

8. По значениям мсри t используя справочные данные, находим значения теплофизических характеристик, необходимых для кинетического расчета процесса (см. раздел 4.2): р и р0, кг/м3- а, м2/сX, Вт/(м К) — к, м2/сц*, 1/м.

9. Задаем температуру и относительную влажность атмосферного воздуха, соответственно /с и срс. Определяем влагосодержание атмосферного воздуха = 0,622 (5.11).

Р-фРнас (^с) где Р — атмосферное давление, Партс — давление насыщения пара при температуре tc, Па.

10. При нагреве воздуха от tc до tc, n (температура поверхности семян) его влагосодержание не изменяется, поэтому dcn =dc. Определяем при найденном значении dc п относительную влажность воздуха у поверхности семян при средней температуре поверхности семян tn = tcp. Этой температуре и влагосодержанию воздуха dc n соответствует относительная влажность воздуха фс п, которая может быть вычислена по уравнению.

Ф" = (0,622 /?)А, ДО- (5Л2).

11. По относительной влажности воздуха фс п и температуре определяем равновесное влагосодержание семян в процессе осциллирующей ИК-сушки, используя опытную изотерму десорбции влаги и = / (срс).

12. Задаемся толщиной слоя семян в сушилке.

13. Задаем продолжительность цикла тц, продолжительность стадии нагрева в цикле тнаг и, используя математическую модель (уравнения (4.8), (4.51)), путем численных расчетов определяем минимальное значение коэффициента теплоотдачи, обеспечивающее такое охлаждение на стадиях «отлежки» в циклах, которое не приводит к неуклонному росту температуры семян от цикла к циклу.

14. По критериальному уравнению (4.54) определяем скорость воздуха, обеспечивающую значение коэффициента теплоотдачи, необходимое для обеспечения найденного технологического режима.

15. По критериальному уравнению (4.55) рассчитываем значение коэффициента массоотдачи Рс.

16. Разбиваем весь диапазон влагосодержаний высушиваемых семян от йн до йкна ряд концентрационных зон и зональным методом [15] рассчитываем время сушки т по приводимым ниже уравнениям (5.13) и (5.14), справедливым в регулярном режиме массообмена.

Уравнение (5.13) записано для семян в форме неограниченной пластины, бесконечного цилиндра, шара, прямоугольного параллелепипеда, конечного цилиндра. В нем: г — номер концентрационной зоны-^ = (мн, — и)/(йК1 -ир) — относительное влагосодержание семени в / -той концентрационной зонеВ, — коэффициент, равный [15]: 5.

ПВ&bdquoТ *=1,2., лу= (5.13) Е.

Ву, — предэкспоненциальному множителю в решении одномерной задачи диффузии для у — той координаты при г = 1- Ву г =1 при г >1- i2j, l — корни характеристических уравнений решений задач диффузии при граничном условии третьего рода- 5 = 1- 2- 3 — соответственно, для семян в виде шара, конечного цилиндра и прямоугольного параллелепипедаЯ] -радиус шара или цилиндра, половина толщины пластины.

При этом для семян в форме прямоугольного параллелепипеда 5 = 3, Я, Я2, Я3 — половины толщин семени по декартовым осямдля семени в форме ограниченного цилиндра 5 = 2, Ярадиус цилиндрического семениЯ2 — половина его длины, Я3 — отсутствуетдля семян в форме шара 5 = радиус шара, Я2, Яз ~ отсутствуют.

Значения коэффициента массопроводности и других теплофизиче-ских характеристик, зависящих от температуры, определяем по среднеобъ-емной температуре семян в циклах, которую рассчитываем согласно данным раздела как среднеарифметическую из значений? т, п и ¿-тах.

Общее (суммарное по всем концентрационным зонам) время сушки т © определяется выражением = (5−14) 1 где п — число концентрационных зон, которое обычно берётся в пределах 5.7 [15].

17. Из уравнения (5.3) находим рабочий объем слоя в сушилке Кр (м3), обеспечивающий заданную производительность.

3600рс.

18. Задаемся высотой слоя /*сл (м) и его шириной 5(м), скоростью движения ленты ул (м/с) и по найденному рабочему объему Ур определяем длину конвейера / (м).

К = (5.15) J.

Пв z=l,., wj =1,.3,.

5.20) E где при Bim—>oo: = 71/2- B7-i=1 = 0,8106 — для пластиныjj, |=1 =2,4048- Byⁱ = 0,6917 — для цилиндраiJl=x =лВ, — =1 = 0,6079 — для шара. Для частиц в форме неограниченной пластины, бесконечного цилиндра и шара 5 =1- для ограниченного цилиндрам =2- для прямоугольного параллелепипедам = 3.

Кривые сушки, отвечающие условию Bim—>оо снимали на установке, специально созданной для изучения массопроводных свойств семенных материалов (рис. 5.5). Внутри воздушного термостата 1 установки размещена циркуляционная конвективная сушилка, перемещающая воздух внутри термостата по замкнутому контуру. Она содержит центробежный вентилятор 4 и электрокалориферы 5. Создаваемый вентилятором поток воздуха, обдувает подвеску с исследуемыми семенами, помещенную в рабочий канал 2 и подвешенную к тяге торсионных весов 7. Для измерения веса подвески с семенами использовались весы торсионные марки «WA-GA TORSYJNA — WT» TYP PRLT -12 Т4 (производство Польша). Считывание веса кюветы с образцами осуществлялось с помощью катетометра 8 марки КМ-8 с точностью 10'5г. Температура воздуха в термостатируемом объёме регулировалась с погрешностью ± 0,2 °С автоматическим электронным мостом сопротивления 6 со специально повышенной чувствительностью. Термода’гчиком являлся малоинерционный платиновый термометр сопротивления открытого типа. Установка содержала устройства регулирования скорости сушильного агента и его температуры. Установка позволяла варьировать скорость воздуха в рабочем канале в пределах 0,5. .8 м/с, а его температуру — в пределах 30 — 200 °C. Байпасные воздуховоды 9 с регулируемым расходом воздуха служили (при необходимости) для частичного обновления воздуха внутри термостата. Внутрь термостата бы—ли помещены кюветы с адсорбентом (цеолитом) для осушения рецирку-лирующего воздуха — с целью поддержания его постоянной низкой влажности.

Исследования проводили с семенами, форма и размеры которых приведены в табл. 5.1. При расчете коэффициента массопроводности для каждого типа семян принято эквивалентное каноническое тело с соответствующими размерами (таблица 5.1). Указанный в таблице термин «эквивалентный» означает, что объем семени равен объему тела равного объема. Опыты проводили с семенами лука «Штутгартер ризен», горчицы белой, петрушки «Кучерявец», сладкого перца «Соната», которые высушивали от начального влагосодержания 60%.

Исследуемые семена помещали в измерительную ячейку (рис. 5.6), выполненную из профилированной сетки (латунь), профилирование которой выполнялось на специальном шаблоне. Подобная форма ячейки позволяла оперативно подготавливать пробу семенного материала с упорядоченной укладкой отдельных семян. Это позволяло осуществлять конвективную сушку отдельных семян в равных условиях в соответствии с требованиями зонального метода определения массопроводных свойств материалов. Всего в каждом опыте было задействовано 25 семян.

Предварительным фракционированием материала с применением измерительного микроскопа были выявлены генеральные размеры партий семян того или иного вида (см. табл. 5.1). С этими фракциями и проводили эксперименты. Из выделенной на ситах фракции набирали пробу, помещаемую оперативно в измерительную ячейку. Затем снимали кривую сушки пробы семян без извлечения образцов из сушильной камеры. Досушивание образцов до постоянного веса осуществляли в той же установке при температуре 60 °C — при влажности воздуха, близкой к нулевой.

3 ' 4 ' 5.

Рис. 5.5. Схема лабораторной конвективной сушилки для исследования массопроводных свойств семян: 1 — термостат- 2 — рабочий канал- 3 -подвеска с образцами- 4 — центробежный вентилятор- 5 — электрокалориферы- 6 — терморегулятор- 7 — весы торсионные- 8 — катетометр КМ- 8- 9 -байпасные воздуховоды.

Заключение

и выводы по работе.

1. В результате проведенных исследований показано, что целесообразно использовать ОИКТ не только для послеуборочной сушки семян овощных культур, но и для стимуляции семян перед высевом.

2. ОИКТ наиболее эффективна для жизнеспособных семян с пониженными посевными качествами (семян лука репчатого, огурца и др.).

3. Наибольший стимулирующий эффект при ОИКТ достигается при предварительном замачивании семян в воде. Такая обработка рекомендуется в качестве предпосевной операции. Следует замачивать семена 10 мин, а подвергать ОИКТ 40 мин при ^?П=34°С, ¿-тах= 40 °C. Для семян лука репчатого сорта «Штутгартен ризен» энергия прорастания возрастает на 72%, а всхожесть — на 66%.

4. Стимулирующий эффект имеет место также при ОИКТ сухих семян, хотя он ниже, чем у увлажненных. ОИКТ сухих семян рекомендуется для застарелых семян, долго хранящихся на складе, в качестве их предпродажной обработки.

6. Математически сформулирована и аналитически решена задача взаимосвязанного тепломассопереноса для пластины (слоя) в условиях электромагнитной сушки (ИК-сушки, сушки токами высокой и сверхвысокой частоты). Показана адекватность математической модели реальному процессу. Проведено компьютерное моделирование ОИКТ, показана целесообразность его применения для выбора режимных параметров процесса.

7. Предложен инженерный метод расчета кинетики ИК-сушки с использованием найденного решения. Получены данные по коэффициентам массо-проводности и равновесному влагосодержанию ряда семян, необходимые для расчета.

8. Показано, что при осциллирующей ИК-сушки у поверхности материала возникает отрицательный температурный градиент. Он вызывает поток термовлагопроводности, который интенсифицирует процесс — в отличие от конвективной сушки. Численно проанализирован этот эффект.

9. Даны рекомендации по аппаратурному оформлению ОИКТ. Показано, что ее применение за счет сокращения количества посевного материала дает экономический эффект на стадии послеуборочной сушки семян лука репчатого сорта «Штутгартер ризен» 26 881 руб. на 100 кг семян, а на стадии стимуляции перед посевом — 40 133 руб. на 100 кг семян.

10. Способ ОИКТ семян успешно апробирован в лаборатории «НИИ овощеводства защищенного грунта» (г. Москва), на что имеется акт испытаний. Способ осциллирующей инфракрасной термообработки семян используется в учебном процессе ФГБОУ ВПО МГАУ на кафедре «Теплотехника и энергообеспечение предприятий» при преподавании дисциплины «Тепломассообменное оборудование предприятий».