ЭТУ_Куликова_2014

Рисунок 7.22 – 3ерносушилка Vaс-U-Wave: l – приёмный бункер влажного зерна;2 – камера предварительной сушки; 3 – впускной пневматический затвор; 4 –выпускной пневматический затвор; 5 – блок вакуумных сушильных камер; 6 –вакуумный насос;7 – ёмкость для конденсата; 8 – смеситель; 9 – насос; 10 – магнетрон

Технология сушки следующая. Зерно в камере предварительного нагрева подогревается горячим воздухом (104 0С) до температуры 37.8 0С и подается в камеру пониженного давления, где перемещается шнеком и обрабатывается СВЧ -энергией. При этом температура зерна повышается до 43,30С. Два вакуумных насоса мощностью по 7,5 кВт откачивают из сушильных камер горячий воздух (600С), который при попадании в область атмосферного давления рекуперирует энергию, и его температура понимается до 1040С, после чего он заправляется в камеру предварительного нагрева. Обработанное СВЧ - энергией зерно выгружается в вентиляционный бункер, где влага удаляется с поверхности зерна подогретым воздухом. СВЧ - энергия используется только для разрыва связей молекул воды с сухим веществом зерна. В результате свободная влага под действием пониженного давления в сушильной камере и обратного градиента температуры перемещается на поверхность зерна.

Удельные потери энергии при такой технологии значительно ниже, чем при конвективной сушке, а общие затраты на СВЧ - сушку на 20…30 % ниже. При этом СВЧ - мощность составляет всего 10 % всей установленной мощности зерносушилки.

На рисунке 7.23 представлена установка для сушки сыпучих материалов, которую можно использовать для сушки зерна,

Установка содержит вертикальный рабочий канал 1 для перемещения высушиваемого материала от загрузочного устройства 2 к разгрузочному устройству 3 и примыкающие к каналу камеры 4 волноводы, симметрично расположенные относительно канала, образующие с ним в сечении Н -

171

образную форму и отделённые от него диэлектрическими пластинами 5. Камеры 4 подключены при помощи коаксиального фидера 6 к магнетрону.

Установка работает следующим oбpазом. Зерно от разгрузочного устройства 2 поступает в бункер 8 и далее непосредственно в рабочий канал 1. Создаваемый вентилятором 9 мощный поток воздуха легко переносит зерно через рабочий канал 1. Выполнение канала 1 и примыкающих к нему камер 4 волновода Н -образного профиля в сечении приводит к тому, что практически всё электрическое поле, обеспечивающее диэлектрический нагрев, удается сконцентрировать в рабочем канале 1, а магнитную составляющую СВЧ - поля, вызываемую нежелательный нагрев ферромагнитных материалов, в боковых камерах 4, изолировав их от рабочего канала диэлектрическими пластинами 5. Вследствие этого при движении в рабочем канале 1 зерно интенсивно теряет влагу за счет преобразования СВЧ - энергии в тепло. По мере достижения зерном кондиционной влажности оно выносится в приемный бункер 10. Из-за значительного объема приемного бункера скорость воздушного потока резко уменьшается, уменьшается его поддерживаемая сила и зерно оседает на дно приемного бункера, а воздух выходит через отверстия в его верхней части.

По мере скопления обработанное зерно в приемном бункере 10 поступает к разгрузочному устройству 3.

3

Рисунок 7.23 – Установка для сушки зерна; 1 – рабочий канал: 2 и 3 – загрузочное и разгрузочное устройства; 4 – камеры волновода;

5 – диэлектрические пластины;6 –коаксиальный фидер; 7 – СВЧ генератор;8 – бункер; 9 – вентилятор; 10 – приемный бункер

172

7.8. СВЧ-установки для дезинфекции зерна и семян

Повышенное влагосодержание и легкодоступные питательные веществ зерна являются благоприятной средой для развития микрофлоры. В результате зерно быстрее и в большей степени поражается грибком.

Эффективной мерой борьбы с зараженностью зерна микроорганизмами является тепловая обработка, в частности, использование для этой цели СВЧ –энергии, которая обладает высоким бактерицидным действием.

Обработка зерна в поле СВЧ на ленте транспортера в непрерывном потоке под излучателем СВЧ в виде усеченного волновода при частоте поля 2375 МГц в слое толщиной 20 мм в течение 1,5… 2 мин показала, что температура зерна составила 600С, в обработанном зерне количество бактерий и плесневелых грибов уменьшилось на 90...95 %.

Снижение содержания микрофлоры зерна обусловлено высокой скоростью нарастания температуры микроорганизмов при воздействии СВЧ - энергии. За одну секунду она повышается на несколько градусов, причем нагрев идет изнутри организма. Вследствие этого происходит термоудар клеток живого организма.

СВЧ энергию используют также для предпосевной обработки семян (ПОС). При этом поверхность семян увлажняют и помещают семена на несколько секунд в поле высокой частоты, в котором они интенсивно нагреваются (в основном, увлажненная поверхность).Таким образом уничтожаются вредные микроорганизмы, вирусы и бактерии и одновременно стимулируется всхожесть семян. В результате ПОС урожайность культур повышается на 10…25 % по сравнению со способами химического протравливания.

При предварительном увлажнении (20...30 кг воды на 1 т семян) поверхность зерен хорошо смачивается Поскольку споры грибов и твёрдой головни обладают большой влагопоглотительной способностью, они впитывают воду в десятки раз быстрее, чем зерно. Через 3…15 мин сухие споры набухают, влажность их достигает 80…90 %. Семена же за этот промежуток времени не успевают увлажниться и остаются сухими. При помещении таких семян в поле СВЧ основная часть энергии поглощается спорами и поверхностью пленки воды, и они интенсивно нагреваются. При этом споры гибнут, а температура семян повышается незначительно. Кроме того, в данном случае благодаря прогреву семян стимулируется рост и развитие растений.

Однако обеззараженные таким способом семена при попадании в почву легко заражаются инфекциями из почвы и воздуха. Следовательно, необходимо не только обеззараживать семена, но и защитить их от воздействия вторичной инфекции в период прорастания.

Для достижения этой цели при увлажнении семян в воду добавляют микроэлементы и клеющие вещества. Микроэлементы подбирают в зависимости от вида почвы и сельскохозяйственных культур. Обычно

173

применяют те, которых недостает в семенах. В качестве клеющих веществ используют полимеры из отходов фенольной промышленности, например латекс.

В результате СВЧ - обработки поры погибают, а микроэлементы, благодаря клеющим веществам в виде сухой пленки остаются на поверхности семян и защищают их от поражения болезнями в период прорастания.

Технологическая схема обработки семян такова (рисунок 7.24).

6

Рисунок 7.24 – Установка для дезинфекции семян и зерна: 1 – накопительный бункер;2 – транспортер; 3 – объёмный резонатор; 4 – магнетрон; 5 – блок питания

Семена подают в смеситель, куда поступает раствор микроорганизмов температурой 10...200C в количестве 10…15 л на 1 м3 зерна. После перемешивания зерно попадает в бункер-накопитель 1, где его выдерживают в течение 0.5...3 мин, а затем транспортером 2 переносят в объемный резонатор 3 для обработки в поле СВЧ. Подача энергии в объемный резонатор осуществляется от магнетрона 4 через функциональный блок 5 питания. Обработанное зерно по транспортеру поступает в приемный бункер.

7.9. СВЧ - установка для сбора сельскохозяйственных культур

Установка (рисунок 7.25) предназначена для сбора ягод, преимущественно облепихи.

Принцип работы следующий: СВЧ - излучатель за доли секунды нагревает воду в плодоножке. Вода превращается в пар и разрывает плодоножку. Ягоды тоже нагреваются, но дольше, т.к. объём ягоды в 65 раз больше объёма плодоножки.

Скорость агрегата такова, что «вскипает» лишь плодоножка, а ягоды остаются целыми.

Устройство содержит рабочий орган, выполненный в виде облучателя 1 сверхвысокочастотных волн. Сбоку от облучателя, образуя рабочую щель, на Г -образном кронштейне 2 монтированы приемная антенна 3 и

174

сопла 4 компрессора сжатого воздуха 5. Вместо приемной антенны могут быть установлены отражатель или экран сверхвысокочастотных волн.

Рисунок 7.25 – СВЧ - установка для cбoра сельскохозяйственных культур: а – вид спереди; б – вид сзади; 1 – облучатель; 2– Г образный кронштейн; 3 – приемная антенна; 4 – сопло; 5 – компрессор; 6 – бункер;

7 – подкронный козырек; 8 – люк

Сзади облучателя смонтирован бункер, выполненный из синтетической ткани 6, и имеющий подкронный козырек 7 и люк 8. На раме трактора установлен генератор тока, соединенный с валом отбора мощности трактора. Компрессор 5 подсоединен через трубопровод к трубчатому коллектору. Генератор тока через проводник соединен с генератором СВЧ. Облучатель 1 выполнен из короткофокусных раструбов, установленных в несколько рядов по длине и высоте.

Устройство работает следующим образом. При движении вдоль ряда деревьев облучатель 1 излучает СВЧ - волны, пронизывая дерево по всей кроне. Волны, прошедшие через крону, попадают в приемную антенну 3, не оказывая отрицательного воздействия на окружающую среду. Ягоды, плодоножки которых оказывается ослабленными разрывами клеток при СВЧ - воздействии, попадают под действие струй воздуха, которые выбрасывается соплами 4. Сорванные воздухом ягоды попадают в подкронный козырёк 7 и через люк 8 в прицепную ёмкость.

175

Подобный комбайн способен убрать урожай ягод с 0,7...6 Га плантации за час. Производительность труда по сравнению с ручной уборкой возрастает примерно в 10 000 раз.

Из всего многообразия возможных областей применения СВЧ - энергии (см. рисунок 7.4) здесь рассмотрены лишь некоторые, на примере которых авторы попытались показать, каким широким и разнообразным может быть использование энергии полей сверхвысокой частоты в технологических процессах АПК [1].

176

ГЛАВА 8

УСТАНОВКИ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

8.1. Физические основы индукционного нагрева

Индукционный метод нагрева основан на передаче электрической энергии от индуктора к приемнику по закону электромагнитной индукции и превращении её в тепловую в соответствии с законом Джоуля-Ленца. Если внутрь индуктора, через который пропускается переменный электрический ток, поместить металлическое тело, то изменение магнитного поля вызовет появление в этом теле электродвижущей силы

где Фm – амплитудное значение магнитного потока.

Наведенная ЭДС вызывает циркуляцию вихревых токов в поверхностных слоях металлического тела и его нагрев. Активная мощность, выделявшаяся в нагреваемом изделии, будет выражаться следующей зависимостью:

P2 2,0 10 4 I1 12 2 r 2 f F , (8.3)

где P2 – мощность, отнесенная к единице энерговоспринимающей поверхности нагреваемого изделия, Вт/м2 ;

I1 – ток индуктора, А;

–число витков индуктора;2 – удельное сопротивление нагреваемого изделия, Ом м;

r 2 – относительная магнитная проницаемость материала изделия;

F– функция, зависящая от геометрии и размеров изделия и частоты тока.

Из формулы (8.3) следует, что скорость нагрева будет тем выше, чем больше частота тока. Кроме того, при изменении удельного сопротивления материала и магнитной проницаемости материала изделия потребляемая и активная мощности будут меняться. Для ферромагнитных материалов, у которых r 2 1 (например, сталь при температуре ниже точки Кюри), активная мощность, передаваемая в металл, будет значительно больше, чем для немагнитных материалов, имеющих r 2 1. Аналогичный эффект получается при переходе через точку Кюри, когда в результате потери магнитных свойств интенсивность нагрева резко надает.

177

Материалы с высоким удельным сопротивлением (сталь, титан и др.) нагреваются лучше, чем материалы, имеющие низкое удельное сопротивление (медь, алюминий).

Переменный ток распределяется внутри проводника неравномерно. Плотность тока убывает от поверхности к центру по экспоненциальному закону:

где i0 – плотность тока на поверхности; iк – плотность тока на глубине х;

– угловая частота:

– глубина проникновения тока.

Неравномерное распределение плотности тока внутри нагреваемого тела называется поверхностным эффектом. При этом в пределах поверхностного слоя с глубиной, равной глубине проникновения 5, формула 5.14), выделяется 86,5 % всей энергии.

Поверхностный эффект проявляется тем резче, чем выше частота тока, чем больше магнитная проницаемость и чем меньше удельное сопротивление.

При индукционном нагреве заметно сказывается эффект близости, сущность которого заключается в следующем. У двух расположенных рядом проводников, обтекаемых током противоположного направления, наибольшая плотность тока будет наблюдаться на сторонах, обращенных друг к другу. Степень проявления эффекта близости тем больше, чем меньше расстояние между проводниками и чем выше частота тока. Эффект близости используется для нагрева деталей сложной формы на повышенных частотах.

При пропускании переменного тока через индуктор вследствие так называемого кольцевого или катушечного эффекта максимальная плотность тока будет на внутренней стороне индуктора.

В цилиндрических индукторах кольцевой эффект и эффект близости действуют согласно, что приводит к вытеснению тока на внутренней поверхности индуктора.

8.2. Основные особенности индукционного нагрева

По сравнению с другими методами при индукционном нагреве передача энергии в деталь производится без участия конвективного или лучистого теплообмена, без применения контактных устройств.

Индукционный нагрев обеспечивает нагрев на больших удельных мощностях и, следовательно, высокую скорость нагрева, недостижимую при других методах кроме контактного (см. гл. 5). Это можно показать на примере значения предельной удельной поверхностной мощности, которая может быть передана изделию при различных методах нагрева:

178

при конвективном нагреве ............ 0.5 Вт/см2 ; при нагреве излучением .............. 8...10 Вт/см2 ; при нагреве в соляных ваннах ........ 20 Вт/см2 ; при пламенном нагреве ............... 1000 Вт/см2 ; при индукционном нагреве ............ 10000 Вт/см2. Основные преимущества индукционного нагрева: а) компактность индукционных нагревателей;

б) постоянная готовность индукционных установок к работе; в) легкость автоматизации; г) хорошая ремонтопригодность оборудования;

д) значительное уменьшение окалинообразования вследствие ускорения процесса нагрева и наличия внутри индуктора слабоокислительной среды;

е) хорошие санитарно-гигиенические условия труда.

Именно этими особенностями и преимуществами объясняется широкое применение индукционного нагрева в различных технологических процессах

В зависимости от применяемых частот установки индукционного нагрева могут быть подразделены на установки промышленной частоты, на установки средней частоты (до 10 кГц) и установки высокой частоты свыше 10 кГц).

8.3. Индукторы, их конструкция и область применения

Индукционный нагрев осуществляется в переменном магнитном поле. Проводники, помещенные в поле, нагреваются вихревыми токами, наводимыми в них по законам электромагнитной индукции.

Интенсивный нагрев можно получить лишь в магнитных полях высокой напряженности и частоты, которые создаются специальными устройствами – индукторами (индукционными нагревателями), питаемыми от сети .или индивидуальных генераторов токов высокой частоты (рисунок 8.1). Индуктор является как бы первичной обмоткой воздушного трансформатора, вторичной обмоткой которого служит нагреваемое тело.

В зависимости от применяемых частот установки индукционного нагрева разделяются следующим образом:

а) низкой (промышленной) частоты (50 Гц); б) средней (повышенной) частоты (до 10 кГц); в) высокой частоты (свыше 10 кГц).

179

Рисунок 8.1. – Индукторы: а – цилиндрический; б – петлевой для нагрева плоских деталей; И – индуктор; Д – деталь.

Индуктор – это рабочий орган установки индукционного нагрева. Эффективность нагрева тем выше, чем ближе вид испускаемой индуктором электромагнитной волны к форме нагреваемой поверхности. Вид волны (плоская, цилиндрическая и др.) определяется формой индуктора.

Конструктивное оформление индукторов зависит от формы нагреваемых тел, целей и условий нагрева. Простейший индуктор представляет собой изолированный проводник, помещенный внутрь металлической трубы, вытянутый или свернутый в спираль. При пропускании по проводнику тока промышленной частоты в трубе наводятся греющие ее вихревые токи. В сельском хозяйстве предпринимались попытки использовать этот принцип для обогрева почвы в закрытом грунте, насестов для птицы и др.

Индуктор является основным нагревательным элементом установки индукционного нагрева. От формы и параметров индуктора зависит равномерность или локализация нагрева [12].

Рисунок 8.2. – Примеры индукторов для конкретных технологий, с учетом особенностей нагрева, например пайка твердосплавного инструмента или плавка во взвешенном состоянии (ливитирующая плавка).

180