Енергозберігаюча електротехнологія і обладнання НВЧ сушіння вовни у сільськогосподарському виробництві

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТАВРІЙСЬКА ДЕРЖАВНА АГРОТЕХНІЧНА АКАДЕМІЯ

Андрійчук Євген Іванович

УДК 677.027.162.537.868

ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧА ЕЛЕКТРОТЕХНОЛОГІЯ І ОБЛАДНАННЯ НВЧ СУШІННЯ ВОВНИ У СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОМУ ВИРОБНИЦТВІ

05.20.02 - застосування електротехнологій у сільськогосподарському виробництві

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Мелітополь - 1999р.

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі загальної електротехніки Харківського державного технічного університету сільського господарства (ХДТУСГ) Міністерства агропромислового комплексу України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Черенков Олександр Данилович Харківський державний технічний університет сільського господарства, доцент кафедри загальної електротехніки;

доктор технічних наук, доцент Водотовка Володимир Ілліч Спеціальне конструкторське бюро “Спектр” Міністерства промислової політики України, начальник відділу.

Провідна установа: Національний аграрний університет Кабінету Міністрів України, м. Київ.

Захист дисертації відбудеться “ 19 “ листопада 1999 р. о годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К18.819.01 при Таврійській державній агротехнічній академії (332312, Запорізька область, м. Мелітополь, пр. Б.Хмельницького, 18, аудиторія 7.210).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Таврійської державної агротехнічної академії (332312, Запорізька область, м. Мелітополь, пр. Б.Хмельницького, 18, бібліотека ТДАТА).

Автореферат розіслано “ 17 “ жовтня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Черкун В.Ю.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Аналіз роботи текстильної промисловості України, яка використовує вовняне волокна за останні роки дозволив зробити висновок про те, що в основі спаду виробництва лежить неконкурентність продукції із-за низького технічного та технологічного рівня виробництва первинної обробки вовни. Технічний рівень устаткування, яке встановлено на фабриках первинної обробки вовни (ПОВ), не відповідає сучасним вимогам, а машинобудування України для цієї галузі машин та устаткування не виготовляє. В Росії, Польщі, Бельгії та інших країнах, які є головними постачальниками устаткування для фабрик первинної обробки вовни, науково-технічний потенціал зорієнтовано, у головному, на створення техніки для традиційних технологій, котрі відрізняють:

- велика встановлена потужність, 100-150 кВт;

- великі габаритно-масові характеристики, наприклад, сушильна машина АС-8Ш, маючи габарити 21х3,8х2,7 м та вагу десятки тон, використовує для сушіння пари 2-3 кг на 1 кг сухої вовни;

- зменшення міцності та розривного навантаження волокна на 13-14 % і 10 % відповідно;

- втрати маси волокна при сушінні до 2 %;

- ДСТУ відповідає всього 10 % митої та висушеної вовни.

Враховуючи фізико-хімічні властивості вовни, можливо припускати, що в галузі первинної обробки вовни зниження собівартості продукту і одержання високих прибутків можливе лише на основі нових технологій та устаткування з використанням пружних коливань та електромагнітних хвиль.

В основу нової технологічної концепції ПОВ покладено висновок про інформаційний та енергетичний вплив електромагнітної і акустичної природи на фізико-хімічні властивості вовни, її забруднення, жир та промивну воду.

Ефективність миття, кількість та якість вовняного жиру, міцносні властивості вовни, багаторазове використання мийних розчинів залежить від вибору частоти, величини потужності та експозиції електромагнітного поля.

Як показано у роботах [1-5], використання технології та устаткування для ПОВ на основі електромагнітних полів та пружних коливань дозволяє:

- зменшити матеріалоємність на 70 %;

- одержати економію виробничих площ на 80 %;

- знизити енерговитрати у 4-5 разів;

- зменшити витрати води у 40 разів;

- виключити негативний вплив технологічного процесу на навколишнє середовище;

- скоротити обслуговуючий персонал на 25-30 %;

- повністю автоматизувати процес ПОВ;

- підвищити продуктивність по жиру до 80 %;

- провести дезинфекцію вовни без спеціальних засобів;

- виключити втрати вовни при сушінні;

- збільшити міцність вовни на 30-70 %.

Розробка та впровадження принципово нової технології та устаткування для первинної обробки вовни дозволяє значно знизити витрати на промивку та сушіння 1 кг вовни та забезпечити конкурентноспроможність виробів з вовни на внутрішньому та зовнішньому ринках.

Однак використання надвисокочастотної (НВЧ) енергії для сушіння та обробки вовни пов'язане з значними труднощами як теоретичного, так і конструктивного характеру та потребує концентрації високого наукового потенціалу і спеціалізованого виробництва.

Необхідність у розробці пристроїв та технологій НВЧ-сушіння вовни обумовило проблему, яка вирішується в цій дисертації: “Енергозберігаюча електротехнологія та устаткування НВЧ сушіння вовни в сільськогосподарському виробництві”.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася у відповідності з Державною науково-технічною програмою 3.12 “Енерго- та ресурсозберігаючі технології в сільськогосподарському виробництві”, тематикою міжвузівських наукових і науково-технічних програм по пріоритетним напрямам розвитку науки і техніки (Наказ міністерства освіти України №37 від 13.02.96, п.2), та планом НДР Харківського державного технічного університету сільського господарства.

Загальноукраїнською науково-технічною програмою на 1991-1995 рр. “Развитие исследований и использование СВЧ-энергии в АПК страны”.

Постановою Кабінету Міністрів України від 22.06.1994 р. № 429 “О реализации приоритетных направлений развития науки и техники (пункт 3 ”Производство, переработка и сохранность сельскохозяйственной продукции”).

Науково-технічною програмою Міністерства Агропромислового комплексу України від 30.02.1998 1998 р. № 339 “Научно-исследовательские и исследовательско-конструкторские разработки”.

Планами НДР і ДКР ХДТУСГ: “Исследование влияния электромагнитных полей на биологические объекты на базе созданных специализированных стендов”, “Разработка и создание технических средств для исследования электрофизических свойств жидких и твердых материалов в СВЧ-диапазоне”, “Разработка методов и средств контроля воздействий физических факторов на биологические объекты” (тема “ЭКОС”), “Разработка технологической очистки и осветления шерсти”.

Технологія та обладнання НВЧ сушіння вовни використані в іноваційному комплексному науковому проекті “Організація ресурсозберігаючого виробництва первинної обробки вовни на основі екологічно чистої безвідходної технології, не маючої світових аналогів з використанням електромагнітних полів і пружних коливань”, реєстр № 001697, 1997 р., інститут тваринництва степових районів ім.М.Ф.Іванова, Асканія-Нова, Харківський державний технічний університет сільського господарства.

Проект підтримано Українською академією аграрних наук, Міністерством України з справ науки та техніки, Міністерством агропромислового комплексу України.

Метою дослідження є вирішення теоретичних і експериментальних проблем по створенню нової енергозберігаючої і екологічно чистої електротехнології і пристрою сушіння вовни на основі електромагнітних полів НВЧ діапазону. Поставлена мета зумовила такі задачі дослідження:

1. Теоретично дослідити процес сушіння вологої вовни ЕМП НВЧ діапазону.

2. Обгрунтувати методи розрахунку діелектричних параметрів, принципи побудови автоматизованого пристрою для вимірювання діелектричних параметрів системи “вовна-вода”.

3. Провести дослідження і дослідно-конструкторські роботи по створенню обладнання для сушіння вологої вовни.

4. Дослідити вплив електромагнітних полів на якісні показники волокон вовни.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базуються на чисельно-аналітичних методах електродинаміки; методах розрахунку НВЧ вузлів; теорії і розрахунках радіотехнічних приладів; принципах побудови мікропроцесорних вимірювальних систем. Для визначення діелектричних параметрів вологої вовни було застосовано резонансний метод.

Моделювання процесів і розрахункова частина досліджень проводилася на ПК ІВМ шляхом розробки та використання моделюючих і розрахункових програм.

Наукова новизна одержаних результатів.

- створено математичну модель процесу сушіння вовни, яка описується системою диференційних рівнянь, і дозволяє встановити потужність джерел НВЧ енергії, режим роботи, тривалість сушіння та конструктивні параметри камери сушіння;

- розроблено метод розрахунку і принципи побудови автоматизованого пристрою для вимірювання діелектричних параметрів системи “вовна-вода”;

- вперше визначено діелектричні параметри вологої вовни у діапазоні змін температур від 25 0С до 95 0С;

- вперше встановлено, що при сушці вовни НВЧ енергією її міцність та розривне навантаження збільшується на 30-70 %.

Практичне значення одержаних результатів. На основі теоретичних і експериментальних досліджень розроблено технологічний режим і пристрій сушіння вовни. Практично показано, що використання НВЧ енергії для сушіння вовни дозволяє зменшити встановлену потужність в 5-6 разів, знизити витрати енергії на 1кг сухої вовни в 10 разів, зменшити обсяг і вагу пристрою сушіння в 60-80 разів, виключити втрати вовни при сушінні, вилучити негативний вплив технологічного процесу сушіння на навколишнє середовище, провести дезинфекцію вовни без спеціальних засобів, автоматизувати процес сушіння.

Результати досліджень використані фірмою “Радіел”. Економічна ефективність складає 25 тис. гривен у рік. Впровадження на фірмі “Отекс” дозволило скоротити енергоспоживання на 40%, виробничі площі на 70%. Економічний ефект від впровадження в виробництво пристрою сушіння вовни в цеху ІТСР “ Асканія-Нова” складає 30 тис. гривен на рік.

Особистий внесок здобувача. Дисертантом особисто:

1. Розроблено математичну модель процесу сушіння вологої вовни, яка дозволяє встановити потужність джерел НВЧ енергії, режим роботи, тривалість сушки та конструктивні параметри камери сушіння.

2. Розроблено метод розрахунку і принципи побудови автоматизованого пристрою для вимірювання діелектрічних параметрів системи “вовна-вода”.

3. Вперше визначено діелектричні параметри вологої вовни у діапазоні змін температури від 25 0С до 95 0С.

Загальна частка участі в опублікованих у співавторстві роботах складає 50-80 %.

У роботі [1] автором розроблена математична модель і проведено теоретичний аналіз процесу НВЧ сушіння. На основі теоретичного аналізу у роботі [2] обгрунтовано технологічні вимоги до процесу НВЧ сушіння вовни. У роботі [3] наведено результати інтенсифікації процесів одержання вовняного жиру і збільшення міцності вовни під впливом НВЧ-випромінювання. Робота [4] присвячена теоретичному аналізу вимірів діелектричних параметрів системи “вовна-вода”. Переваги НВЧ-сушіння перед конвекційним на підставі вітчизняних та закордонних результатів досліджень наведено в роботі [5].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи схвалені на:

- науково-виробничій конференції “Автоматизированные установки для промывки и отбеливания шерсти по безотходной технологии в условиях сельскохозяйственного предприятия”, Харків, 1995 р.;

- міжнародній конференції “СВЧ-технологии в сельскохозяйственном производстве”, Харків, ХДТУРЕ, 1995 р.;

- семінарі “Автоматизированная система ПОШ”, Харків, ХДТУСГ, 1996 р.;

- міжнародній конференції “Пути повышения конкурентоспособности овцеводства в условиях рыночных отношений”, Асканія -Нова, 1997 р.;

- семінарі “Применение СВЧ-энергии для сушки влажной шерсти”,Харків, 1997 р.;

- науково-виробничій конференції “Применение энергии электромагнитного поля для переработки шерсти и воздействия на животных”, Асканія -Нова, 1998 р.

Публікації. Основні положення дисертації викладено в 5 друкованих роботах.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків. Вона містить 151 стор. машинописного тексту, 29 рисунків, 4 таблиці, список джерел нараховує 87 найменувань.

ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ. Застосування енергії електромагнітних полів надвисокочастотного (НВЧ) діапазону довжин хвиль для сушіння вологої вовни дозволило розробити нову електротехнологію сушіння, обгрунтувати технологічні та конструктивні параметри камері сушіння, зменшити її габарити та вагу, у порівнянні з існуючими, підвищити якість волокна, значно зменшити енерговитрати.

В першому розділі “Аналіз методів та пристроїв для сушіння і обробки вовни НВЧ-енергією” проведено аналіз методів та пристроїв для сушіння і обробки материалів НВЧ-енергією.

Розглянуто способи, які використовуються на промислових підприємствах для сушіння вовни. Показано, що при первинній обробці вовни використовують частіше всього конвективне сушіння, але з аналізу вітчизняних та зарубіжних наукових публікацій слідчить, що існуючим способам та пристроям сушіння вовни присутні такі істотні недоліки:

- велика установлена потужність 70-80 кВт;

- витрати пару на 1 кг висушиної вовни складають 2-3 кг;

- втрати електроенергії на 1 кг висушиної вовни перевищують 0,4 кВт/ч;

- великі габаритно-масові характеристики.

Серед сучасних способів сушіння особливу увагу треба приділити використанню енергії електромагнітного поля високочастотного діапазону довжин хвиль та ультразвукового. Ультразвукове сушіння використовується при роботі в замкненому об'ємі газоструминних свистків. Цей вид сушіння потребує досить великих інтенсивностей звуку. Порогове значення інтенсивності залежить від фізико-хімічних, аеродінамічних якостей середовища і компоненту, що висушується. Для більшості матеріалів цей поріг лежить в межах 140-150 дБ. Звідси слідчить, що для того, щоб вилучити одну третину вологи (початкова вологість 300 %) при інтенсивності звуку 140-150 дБ необхідно витримувати матеріал в звуковому полі тривалостю 3 хвилини. Таке використання звуку приводить до десятикратного зниження витрат електроенергії (для порівняння брались витрати енергії при сушінні перегрітою парою).

У останній час велику увагу приділяють способу сушіння НВЧ-енергію. У процесі НВЧ сушіння передача тепла матеріалу відбувається шляхом опромінення його енергією НВЧ. Волога та субстанція, які повинні випарюватись, поглинають електромагнітну енергію по всьому об'єму матеріалу і випарюються. Швидкість сушіння при цьому істотно зростає.

НВЧ нагрів є чистим методом нагріву, тому при його використанні відсутні будь-які продукти згоряння. У даній главі обгрунтована актуальність розробки пристроїв на базі нових технологій НВЧ сушіння вовни. Проведено аналіз пристроів сушіння матеріалів на основі електромагнітних полів, які широко використовуються у харчовій та деревообробній промисловості, сільському господарстві, медицині та біології.

Однак в текстильній промисловості технологія НВЧ-нагріву вовни не знайшла використання, разом з тим, усунення недоліків, властивих конвекційному сушінню, можливе лише на основі використання електромагнітних полів НВЧ діапазону, використання яких зробить можливим:

- скоротити енерговитрати на 60 %;

- зменшити технологічні площи у 3-5 разів;

- покращити якісні показники висушуваної вовни;

- виключити втрати вовни при сушінні.

Для створення сушильних камер на базі нової електротехнології необхідно виконати дослідження і дослідно-конструкторські роботи по створенню пристроїв НВЧ-сушіння вологої вовни, вивчити вплив електромагнітних полів на якісні показники волокон вовни, розробити пристрій для вимірювання діелектричних параметрів системи “вовна-вода” і виміряти їх в діапазоні температур 25-95 0С. З аналізу методів і пристроїв вимірювань діелектричної проникності (ДП) речовин виходить, що для вимірювання ДП системи “вовна-вода” треба використовувати резонансний метод на основі бісферичного резонатора.

В другому розділі “Теоретичне дослідження процесу сушіння вологої вовни під дією НВЧ-нагріву” проведено теоретичне дослідження процесу сушіння вовни під впливом НВЧ нагріву. Створено математичну модель процесу сушіння вовни. Одержано аналітичне рішення задачі, що дозволяє оптимізувати хід процесу сушіння, враховуючи параметри вовни; потужність та час нагріву, конструктивні особливості камери сушіння.

Конструктивні параметри камери розраховані таким чином, що напруженість електромагнітного поля у всіх її точках практично однакова, тому температура в усьому шару вовни теж вважається однаковою. Шар вовни у камері розглядали як ізотропне середовище. Припускалося, що на межах шару вологої вовни, який контактує зі стінками камери, немає значних температурних градієнтів. При виникненні в камері електромагнітного поля, волога вовна починає поглинати енергію, внаслідок діелектричних втрат, яка визначається за законом Джоуля-Ленця:

, (1)

Де - відносна діелектрична проникність середовища;

- тангенс кута діелектричних втрат;

f - частота електромагнітного поля, Гц.

Волога вовна поглинає електромагнітну енергію, що приводить до збільшення її температури і до надлишку тиску пари, а це, у свою чергу, викликає конвекційний перенос, потік якого визначається рівнянням Дарсі:

, (2)

де - фільтраційний потік, ;

- швидкість фільтрації парорідинного середовища, м / с;

- щільність парорідинного середовища, ;

- коефіцієнт фільтрації парорідинного середовища, ;

Р - тиск в середині парорідинного середовища, Па.

Рівняння теплопровідності мають вигляд:

- для вовни:

, (3)

- парорідинного середовища, що оточує її волокна:

, (4)

де - пористість вологої вовни, ;

і - питома теплоємність вовни і парорідинного середовища, ;

і - щільність вовни і середовища, ;

і - функції, які описують зміну температури вовни і cередовища, ;

і - ефективні коефіцієнти теплопроводності вовни і середовища, ;

- коефіцієнт теплопередачі між волокнами вовни і парорідинним середовищем, ;

і - щільності поглинаємої електромагнітної энергії у одиницю часу волокнами вовни і парорідинним середовищем, .

При визначенні межевих умов було враховано, що на верхній поверхні шару вологої вовни виникає конвекційний теплообмін, який підпорядковується закону Н'ютона. При визначенні початкових умов розподіл температури у початковий момент сушіння по всьому шару брався рівномірним.

Щільність потоку вологи, яка випаровувалася, підпорядковується експоненційній залежності від часу. Згідно з наведеними міркуваннями була сформульована задача, яка і є математичною моделлю процесу сушіння вовни.

На підставі аналітичного рішення системи

(5)

розв'язана задача і одержано математичну залежність, що описує процес сушіння вологої вовни:

(6)

де

Згідно з цим виразом змінюючи значення потужності опромінення в діапазоні 5-12 мВт/см3 на частоті 2450 мГц можна керувати процесом сушіння, прискорюючи чи уповільнюючи його.

За результатами математичних виразів за допомогою ПК ІВМ одержано графічні залежності, що наведені на рис.1,2.

На рис.1 наведена залежність температури вологої вовни, яка опромінюється електромагнітними полями, від часу впливу та товщини шару зразця. Товщина шару вовни змінюється від 0 до 1,5м, час впливу електромагнитної енергії - від 0 до 180с.

Нерівномірний розподіл температури вологої вовни по об'єму пояснюється таким чином. При нагріві НВЧ полем вовна починає інтенсивно випарюватись і в процесі пароутворення знижує температуру волокон вовни. Волога, що випаровується, піднімається крізь об'єм до верхньої межі вовни і там накопичується. При розрахунках приймалося, що верхня межа об'єму практично збігається з кришкою сушильної камери, тобто у верхній частині об'єму висушеної вовни збирається вся пара і таким чином підтримує температуру вищу, ніж на більш глибоких шарах, звідкіля пара рухається до гори. Одержаний результат свідчить про необхідність інтенсивної евакуації нагрітої пари з сушильної камери з швидкістю 0,1 м/с, а також про необхідність створення відповідного зазору між кришкою сушильної камери та верхньою межою вовни, що висушується, де збиралась би пара. В кінці процесу сушіння, коли основна маса випарюваної рідини з камери вибрана, температура вовни по всьому об'єму стає практично однаковою. З результатів експерименту виходить, що це явище настає через 2-3 хвилини після надходження електромагнітної енергії в сушильну камеру.

Чисельний аналіз виразу (6) дозволив знайти залежність вологості вовни від тривалості опромінення і величини щільності потужності електромагнітного поля, рис.2.

З наведеної залежності видно, що з збільшенням щільності потужності інтенсивність процесу сушіння збільшується, але до 120 секунди вологість при різних рівнях опромінення приходить до одного й того ж значення. Цей результат відповідає розглянутому вище факту вирівнювання температури по всьому об'єму вовни до 120-ї секунди.

Крім того, треба відмітити, що через 30 секунд первинне значення НВЧ-енергії можна зменшити в 2-3 рази.

В третьому розділі “Аналіз, розрахунок та вимірювання електрофізичних параметрів вологої вовни” розглядено питання про діелектричну проникненість системи “вовна-вода”. Для того, щоб вибрати оптимальний технологічний режим сушіння вовни та розробити конструкцію камери сушіння, необхідно було провести як теоретичний розрахунок діелектричних параметрів системи “вовна-вода”, так і створити автоматизований пристрій для їх вимірювання.

Для розрахунку електродинамічних і конструктивних параметрів камери сушіння і для оптимізації технологічного процесу первинної обробки вовни важливим є вивчення діелектричних властивостей вовни в НВЧ-діапазоні довжин хвиль в залежності від температури, так як процес НВЧ-сушіння визначається її діелектричною проникністю.

Тому було проведено аналіз діелектричних властивостей системи “вовна-вода”. На основі теорії мультімолекулярної адсорбції система “вовна-вода” була представлена у вигляді трьох компонентів: вовна, зв'язана вода, рухома вода, на основі чого було одержано математичний вираз для визначення величин і в заданих границях зміни вологості (від 10 до 40 %) при температурі 25 0С.

Для виміру діелектричної проникності вологої вовни було рекомендовано розглянути резонансний метод, ідея якого складається в спостереженні зміни резонансної частоти та добротності бісферичного резонатора при розташуванні в ньому вологої вовни. Резонатор має центральну та торцеві частини, переріз яких зменшується. При цьому торцеві частини резонатору будуть замежовими для діючих в центральній частині хвиль. Відсутність в торцевих частинах, починаючи з деякого перерізу, хвиль дозволяє виготовити резонатор з відкритими торцями, що дає можливість вводити в резонатор вологу вовну без розбирання конструкції резонатора.

Задача розрахунку ЕМП складається з рішення однорідного рівняння Гельмгольца для кожної області резонатора:

, (7)

де поздовжна електрична або поздовжна магнітна складова ЕМП в резонаторі;

- хвильове число;

і абсолютні діелектрична та магнітна проникності;

кругова частота поля.

ЕМП в часткових областях, яке задовольняє гранічним умовам задачі, визначається з точністю до сокупності довільних постійних та зшивається на поверхні розділу. В центральній частині резонатора поздовжне хвильове число є величиною постійною і рішення рівняння (7), записаного у циліндричній системі коордінат, шукається у вигляді добутку трьох складових, кожна з яких є функцією тільки одного аргументу:

, (8)

де поточні координати циліндричної системи.

У областях, де переріз зменшується, поздовжне хвильове число буде залежати від поздовжної координати , причому з зменшенням поперечного перерізу , а потім станє негативним. В даному випадку диференційне рівняння 2-го порядку зі змінними коефіцієнтами

, (9)

вирішується методом приєднаного рівняння виду:

, (10)

де функція, поведінка якої на ділянках, що звужуються, поцінно з поведінкою функції ;

.

Вибравши , рівняння (10) приводиться до рівняння Ейрі, рішенням якого є функція Ейрі. Якщо прирівняти нулю детермінант системи лінійних алгебраїчних рівнянь для хвилі типу ТЕ01, одержимо рівняння для визначення резонансної довжини центральної частини резонатора:

, (11)

де

відстань до перерізу, в якому хвильове число обертається в нуль;

функція Ейрі і її похідна відповідно;

;

перший корінь похідної функції Бесселя;

радіус центральної частини резонатора.

На ЕОМ проведено розрахунок геометричних розмірів та добротності резонатора.

На основі бісферичного резонатора одержано розрахункові співвідношення для діелектричних параметрів системи “вовна-вода” та розроблена автоматизована система, яка забезпечує точність вимірювань 1 % для і 5 % для . Використання резонансного методу вимірювань ДП вологої вовни предбачає необхідним наявність резонансного пристрою в якості частотного дискримінатора, що визначає принцип побудування системи перетворення частоти.

В системі, яка розглядається, частота кварцового генератора за допомогою помножувача та системи частотної автопідстройки (ЧАП) перетворюється до частоти резонатора. На основі спектрально-фазового методу розглянуто проходження промодульованого по фазі НВЧ-сигналу через резонансну систему. Після вирішення рівнянь одержано вирази для фази модульованого сигналу, який функціонально зв'язаний з добротністю резонатора:

, (12)

де частота модуляції;

кут залізнення фази модуляційного сигналу;

амплітуда частотного відхилення;

і амплітуда НВЧ-сигналів на вході та виході резонатора відповідно.

Одержані вирази використано при розробці автоматизованої системи вимірювання ДП вологої вовни в діапазоні температур. Експериментально показано, що при зміні температури від 25 0С до 95 0С величина системи “вовна-вода” не має тісної залежності від вологості і знаходиться в границях від 8 до 6 одиниць для вологості 30 %.

Установлено, що для вовни з вологістю 30 % величина лежить в межах від 1,5 до 0,6 одиниць при зміні температур від 25 0С до 95 0С. На основі одержаних теоретичних і експериментальних даних зроблено висновок про те, що зв'язана вода не утворює шар, який утворює власну структуру, яку можна розглядати як окремі молекули, що жорстко прикріплені до ізольованих груп вовни, вони свій внесок на діелектричну сталу вносять через електронну та атомну поляризацію. Молекули рухомого води вовни теж обмежені у обертанні більше ніж у звичайній воді, що відрізняється від висновків теорії мультимолекулярної адсорбції.

Величина діелектричних втрат для системи “вовна-вода” визначається діелектричними втратами звичайної води на високих частотах.

В четвертому розділі “Результати розробки пристроїв і експериментальних досліджень НВЧ-сушіння вовни” наведені результати розробки та експериментальних досліджень НВЧ-сушіння вовни. Визначено основні напрямки експериментальних досліджень. Представлено опис конструкції приладу для сушіння вовни і принцип роботи НВЧ камери сушіння. Одержано розрахункові співвідношення, які дозволяють вибрати оптимальні розміри кубічних та прямокутних резонаторів.

Розроблена аппаратура дозволяє провести сушіння як в безперервному, так і в циклічному режимах роботи магнетронів з інтервалом 10 с. З метою створення рівномірного електромагнітного поля у робочій камері до неї уведено спіральні циліндричні антени. Запропоновано принцип розрахунку антенного пристрою. Геометрія антен вибрана такою, щоб забезпечити мінімальний КСХ не більше чим 1,2 з боку блоків магнетронів при мінімальному навантаженні камери. Розташування і геометрія антен забезпечує рівномірність НВЧ поля в об'ємі робочої камери в границях 0,7. По мірі висихання вовни в ній зменшуються втрати і відповідно зростає КСХ, що негативно впливає на роботу магнетронів. Тому не рекомендується довга робота джерела при вологості вовни менш ніж 10 %.

Розміри нагрівальної камери залежать від об'єму навантаженої вовни і кількості видів коливань, збуджених в ній. Для сушіння вовни бажаним є багатовидовий режим роботи. Стабільність і рівномірність нагріву у першу чергу залежать від того, як багато видів коливань збуджується в резонаторі. При розрахунку багатовидового резонатора треба враховувати дві головні вимоги. По-перше, зв'язок між джерелом і резонатором повинен бути постійним для самих різних навантажень, які відрізняються своїми діелектричними властивостями, котрі змінюються із зміною температури. По-друге, місця максимального перетворення енергії повинні бути рівномірно розподілені по об'єму вовни.

Метою експерименту є визначення залежності часу сушіння від параметрів режиму та початкової маси долі вологи у вовні, а також знайдення параметрів, які відповідають найменьшому часу сушіння при умові зберігання якості висушеної вовни. Параметри режиму сушіння і початкову вологість змінювали: густину потужності НВЧ-енергії від 0,005 до 0,01 Вт/см3, вологість - від 10 до 40 %. Режим роботи магнетронів безперервний та циклічний.

З аналізу одержаних результатів слідчить, що процес інтенсивності сушіння залежить, як від величини вологоутримання, так і від величини об'ємної густини НВЧ-енергії. Для скорочення часу сушіння та витрат електроенергії необхідно дотримуватись того, щоб за допомогою механічних засобів віджиму довести вологість вовни до 30-40 %. Використання циклічного сушіння дозволяє при тих же витратах часу на сушіння, що і при безперервному режимі, зменшити витрати енергії в три рази.

Для визначення міри впливу НВЧ-енергії на властивості та структуру вовни при сушінні було використовано спектральний аналіз. Змінення у білкових молекулах вовни реєструвались методом інфракрасної спектроскопії на IR-спектрофотометрі типа “Specord M80” (Германія). Вимірювання проводились у двох діапазонах довжини хвиль - 3700-2700 см-1, де з'являються коливання зв'язків О-Н (гідроксильних груп), N-Н (амідних груп), С-Н (метильних і метиленових груп) і 1700-1200 см-1, де реєструвалися коливання С-О і С-N амідної і карбонільної груп. Проби були отримані здрібленням вовни та її пресуванням у таблетки з безводним бромідом калія. Здобуті спектральні криві оброблювались за допомогою програмного пакету “Spectral Data Lab” та нормирувались на однакову площину.

Для аналізу було взято 4 проби півтонкої вовни, дві з яких контрольні: одна після миття, а друга - забруднена. Дві групи проб, промита та забруднена, оброблювались НВЧ-енергією на протязі 3-х хвилин на частоті 2,45 ГГц з об'ємною густиною потужності 0,01 Вт/см2.

З одержаних результатів слідчить, що для обробленої НВЧ-енергією вовни, помітно низькочастотне зміщення широкої смуги водородозв'язаної гідроксильної групи, що свідчить про виникнення у вовні допоміжних компонентів, які утворюють міцні водородні зв'язки з гідроксильними групами амінокислот білка. Опроміненні зразки мають значне поглинанні в області, де розміщують коливання СН3, СН2, СН груп, що характерно для ефірів жирних кислот. В промитій вивні в цій області поглинання помітно нижче, крім того, спостерігається інтенсивний максимум вільної карбоксильної групи, що свідчить про наявність великої кількості дестеріфіцированих кислотних останків. Більш низьку інтенсивність смуги валентних коливань СН2-груп в опромінених зразках, порівняно з контролем, треба віднести до деструкції білкових молекул вовни.

Змінення останніх приводить до розриву старих та появі нових водородних зв'язків і, як слідство, до зміни ступеня зв'язку гиброксильних груп. Аналіз одержаних результатів показує, що при обробці вовни НВЧ-енергією її міцність збільшується на 4-5 сН/Текс, а розривне навантаження- на 400-500 сН.

сушіння електромагнітний вологий вовна

ВИСНОВКИ

На підставі виконаної роботи одержані такі висновки:

1. Розроблено математичну модель процесу сушіння вологої вовни, яка описується системою диференційних рівнянь, рішення яких дозволяє досліджувати процес сушіння вовни; встановити: потужність НВЧ-енергії, тривалість часу сушіння, режими роботи джерел енергії, конструктивні параметри камери сушіння.

2. Встановлено, що нерівномірний розподіл температур по обсягу вологої вовни (80 С на верхній межі і 65?С на нижній) потребує евакуацію гарячої пари із сушильної камери з швидкістю 0,1 м3/с.

3. Показано, що тривалість часу нагріву вовни до 80С з вологістю 70% складає 20-30с при зміні щільності потужності від 12 мВт/см3 до 5 мВт/см3, і при подальшіому сушінні на протязі 100с потужність можна зменшити в 2/3 разу.

4. На основі бісферічного резонатору одержано основні розрахункові співвідношення для визначення діелектричних параметрів вовни, що дозволило теоретично визначити величини іу межах зміни вологості від 10 до 40 % при температурі 25 ?С.

5. При розрахунку визначено, що діелектричні параметри системи “вовна-вода” при температурі 250С на частоті 2,45 ГГц при вологості 10-40%.

6. Розроблено автоматизований пристрій для вимірювання діелектричних параметрів системи “вовна-вода”, який забезпечує точність вимірювань 1 %

7. Визначено діелектричні параметри вологої вовни в діапазоні зміни температури від 250с до 95 0С.

8. Встановлено, що використання НВЧ сушіння вовни дозволяє підвищити відносну міцність волокна на 4 - 5сН/Текс і розривне навантаження на 400 - 500сН.

9. Використання НВЧ-технології в устаткуванні для сушіння вовни дозволило:

- знизити витрати електроенергії на 1 кг сухої вовни в 3 рази;

- зменшити об'єм та вагу пристрою сушіння в 80 разів;

- зменшити встановлену потужність в 2-3 рази;

- ліквідувати негативну дію технологічного процесу сушіння на оточуюче середовище.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Черенков А.Д., Андрейчук Е.И. Теоретический анализ процесса СВЧ-сушки влажной шерсти // Питання електрифікації сільського господарства: Зб. наук.пр.-Харків: ХДТУСГ.- 1998.- С.97-100.

2. Черенков А.Д., Свергун Ю.Ф., Андрейчук Е.И. Использование СВЧ энергии для сушки влажной шерсти // Вестник науки и техники.Выпуск.- 3. Харьков: Харьковский дом науки и техники.- 1999.- С.47-48.

3. Черенков А.Д., Ванькевич В.В., Кучин Л.Ф., Андрейчук Е.И. и др. Установка для промывки шерсти // Міжвідомчий тематичний науковий збірник “Вівчарство” . - Київ: Аграрна наука.- 1998.- С.89-97.

4. Андрейчук Е.И., Кравченко П.А. Расчеты измерения диэлектрических параметров шерсти с использованием СВЧ-облучения // Украинский метрологический журнал.- Харьков: НПО “Метрология”.- 1999.- №1.- С.37-42.

5. Зотова З.И., Андрейчук Е.И. Технологические предпосылки использования СВЧ энергии для сушки шерсти // Вісник Харківського державного політехнічного університету. Збірка наукових праць. Випуск 47.-Харків: ХДПУ.- 1999.- С.58-60.

АНОТАЦІЯ

Андрійчук Є.І. Енергозберігаюча електротехнологія і обладнання НВЧ сушіння вовни у сільськогосподарському виробництві.- Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.20.02 - застосування електротехнологій у сільськогосподарському виробництві.- Таврійська державна агротехнічна академія, Мелітополь, 1999.

Дисертація містить дослідження в галузі застосування електромагнітних полів НВЧ діапазону в технологічних процесах сільськогосподарського виробництва.

Метою роботи є вирішення теоретичних і експериментальних проблем по створенню нової енергозберігаючої та екологічно чистої електротехнології і пристроїв сушіння вовни но основі єлектромагнітних полів НВЧ діапазону.

В роботі одержані наступні наукові результати:

- створено математичну модель процесу сушіння вовни, яка описується системою диференційних рівнянь і дозволяє встановити потужність джерел НВЧ енергії, режим роботи, тривалість сушіння та конструктивні параметри камери сушіння;

- розроблено метод розрахунку і принципи побудови автоматизованного пристрою для вимірювання діелектричних параметрів системи “вовна-вода”;

- вперше визначено діелектричні параметри вологої вовни у діапазоні змін температур від 25 0С до 95 0С;

- вперше встановлено, що при сушінні вовни НВЧ енергією її міцність та розривне навантаження збільшується на 30-70%.

Ключові слова: електромагнітне поле, надвисокочастотна енергія, сушіння вовни, діелектричні параметри, вологість.

THE SUMMARY

Andreichuk E. I. The energy-saving electrotechnologies and equipment UHF drying wool in the agricultural production.- Manuscript.

Thesis on cosearching a teaching degrees of candidate of technical sciences on professions 05.20.02 - An using the electrotechnologies in the agricultural production.- Tavria State Academy, Melitopol, 1999.

Protected work , which is kept studies in the field of using the electromagnetic floors UHF-range in technological processes of agricultural production.

Take Aim work is a decision of theoretical and experimental problems on creation new energy-saving and ecological clean electrotechnology and devices of drying wool on the base of electromagnetic floors UHF-range.

In work received following scientific results:

- created mathematical model of drying wool, which is described by the differential equation system. Tinned decision allows to install: power UHF-energy, time of drying, state of working sources of energy, constructive parameters of camera of drying;

- designed method of calculation and principles of building of automatic device for the measurement of dialectric parameters of system “wool-water”;

- for the first time determined dialectric parameters of humid wool within the range of changing moisture from 30% before 70%;

- for the first time installed that when drying wool UHF-energy its toughness and anti-tearing property are increasing to 30-70%.

Key words: electromagnetic field, superhigh-frequency energy, drying wool, dialectric parameters, moisture.

АННОТАЦИЯ

Андрейчук Е. И. Энергосберегающая электротехнология и оборудование СВЧ сушки шерсти в сельскохозяйственном производстве.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.20.02 - Применение электротехнологий в сельскохозяйственном производстве. Таврическая государственная агротехническая академия, Мелитополь, 1999.

Диссертация содержит исследования в области применения электромагнитных полей СВЧ-диапазона в технологических процессах сельскохозяйственного производства.

Целью работы является решение теоретических и экспериментальных проблем по созданию новой энергосберегающей и экологически чистой электротехнологии и устройств сушки шерсти на основе электромагнитных полей СВЧ-диапазона.

В работе получены следующие научные результаты:

- создана математическая модель сушки шерсти, которая описывается системой дифференциальных уравнений. Полученное решение позволяет установить: мощность СВЧ-энергии, время сушки, режим работы источников энергии, конструктивные параметры камеры сушки;

- разработаны метод расчета и принципы построения автоматизированного устройства для измерения диэлектрических параметров системы “шерсть-вода”;

- впервые определены диэлектрические параметры влажной шерсти в диапазоне изменений температур от 25 0С до 95 0С;

- впервые установлено, что при сушке шерсти СВЧ-энергией ее прочность и разрывная нагрузка увеличивается на 30-70 %.

Проведен анализ методов и устройств для сушки и обработки шерсти СВЧ энергией. Показано, что выбранная тема является актуальной.

Теоретически обоснован процесс сушки шерсти. Полученное решение задачи о сушке влажной шерсти позволяет исследовать процесс сушки шерсти с начальной влажностью 70% при изменении объемной плотности СВЧ энергии в диапазоне от 5-12 мВт/см3 на частоте 2450 мГц. С помощью ПЭВМ произведен расчет зависимости температуры влажной шерсти, облучаемой электромагнитными полями, от длительности воздействия и глубины образца. Даны практические рекомендации, выполнение которых позволит оптимизировать течение процесса сушки.

В работе проведен анализ диэлектрических свойств системы “шерсть-вода”. Получено математическое выражение для определения величин и в заданных пределах измерения влажности. Разработана автоматизированная система измерения диэлектрических параметров влажной шерсти. Экспериментально определены диэлектрические параметры системы “шерсть-вода”.

Представлены результаты разработки устройств по СВЧ сушке шерсти и проведены экспериментальные исследования по определению зависимости времени сушки шерсти от параметров режима и начальной массовой доли влаги в шерсти, на основании чего выбрано оптимальное время сушки, обеспечивающее сохранность качества высушенного материала. Результаты проведенных экспериментальных исследований представлены в виде графиков и таблиц.

На фирме “Отекс” были проведены испытания устройства СВЧ сушки шерсти, что позволило сократить энергопотребление на 40%, производственные площади на 70%, провести дезинфекцию волокна без принятия специальных мер. Устройство внедрено в институте ЖСР “Аскания-Нова”

Технико-экономические расчеты показали, что годовой экономический эффект от использования разработанных технологий и устройства СВЧ сушки шерсти составит почти 500.000 гривень.

Ключевые слова: электромагнитное поле, сверхвысокочастотная енергия, сушка шерсти, диэлектрические параметры, влажность.

Размещено на Allbest.ur

...