авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Энергосберегающие электротехнологии сушки и предпосевной обработки зерна активным вентилированием

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ВАСИЛЬЕВ Алексей Николаевич ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ СУШКИ И ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ ЗЕРНА АКТИВНЫМ ВЕНТИЛИРОВАНИЕМ Специальность:

05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2009

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» Научный консультант доктор технических наук, профессор, академик РАСХН Бородин Иван Федорович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Краусп Валентин Робертович доктор технических наук, профессор Секанов Юрий Петрович доктор технических наук, профессор Резчиков Вениамин Алексеевич Ведущая организация ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт зерна и продуктов его переработки

Защита состоится 31 марта 2009 г. в часов на заседании диссертаци онного совета Д 220.044.02 при ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина» по адресу 127550, Моск ва, ул. Тимирязевская, 58.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО МГАУ Автореферат разослан февраля 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Загинайлов В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В решении важной народнохозяйственной про блемы увеличения производства зерна, наряду с обычными агротехнически ми приемами, существенное значение в улучшении посевных качеств семян имеет электротехнология. Как правило, это самые малозатратные и экологи чески чистые приемы повышения урожайности. Опыт использования элек тротехнологии при предпосевной обработке семян доказывает её высокую эффективность в виде прибавки к урожаю в 5-20%, тем не менее широкого распространения в сельскохозяйственной практике эти методы так и не по лучили. Это связано с несколькими проблемами, одну из которых можно обозначить как научную: отсутствие единой теории, объясняющей влияние различных видов воздействия на посевные качества семян, что вызывает не доверие к данным методам.

На увеличение производства зерна направлены и технологии его сушки, призванные сохранить урожай. В нашей стране необходимо высушивать 70…80% валового сбора зерна. При прогнозируемом производстве зерна в 100 млн.т. на его сушку придется затрачивать около 1 млн. т. жидкого освет ленного топлива. Поэтому особо актуальной является проблема снижения энергоемкости зерносушения путем использования низкотемпературной сушки, вентилируемых бункеров, интенсификации сушки за счет применения электротехнологии.

Сельскохозяйственное производство, в отличие от других видов произ водства, обладает значительным ресурсом – запасенной энергией биологиче ского объекта. При этом использование информационного подхода к описа нию реакций биологических объектов на внешнее воздействие позволяет раз рабатывать электротехнологии для повышения урожайности, производитель ности зерносушильного оборудования, снижения энергоемкости процесса сушки зерна.

Направление работы соответствует решениям научных сессий Российской сельхозакадемии по механизации, электрификации и автоматизации сельско го хозяйства, планам НИР ФГОУ ВПО АЧГАА.

Целью работы является увеличение количества и эффективности произ водства зерна за счет применения энергосберегающих электротехнологий его сушки и предпосевной обработки активным вентилированием, разработан ных на базе информационного подхода.

Для достижения этой цели определены следующие задачи исследования:

1. На базе информационного подхода определить принципы интенсификации процессов и разработки энергосберегающих электротехнологий сушки и предпосевной обработки зерна.

2. На основе информативности процесса активного вентилирования зерна определить параметры, необходимые и достаточные для его контроля, разра ботать и исследовать средства контроля.

3. Используя информационный подход развить теоретические положения, разработать и совершенствовать математические и имитационные модели процесса управления сушкой зерна активным вентилированием.

4. На основе применения информационного подхода развить теоретические положения и разработать математические модели энергосберегающих элек тротехнологий интенсификации сушки и предпосевной обработки зерна ак тивным вентилированием.

5. Провести экспериментальные исследования разработанных средств кон троля, систем управления, электротехнологий. Разработать рекомендации по их внедрению.

Объект исследования. Зерновка, зерновой слой, технические средства и технологические процессы сушки и предпосевной обработки.

Предмет исследования. Процесс взаимодействия зерновки, зернового слоя с внешним физическим воздействием при сушке и предпосевной обра ботке.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов.

В работе использованы теоретические и эмпирические методы исследова ния. Решения поставленных задач базируются на известных теоретических положениях и экспериментальных данных технологии зерносушения и пред посевной обработки зерна, теории информации, биофизики, термодинамики необратимых процессов, тепловлагообмена, автоматического управления, математической статистики, оптимизации, математического моделирования, алгоритмизации и программирования на базе современных технических средств. Достоверность полученных результатов подтверждена адекватно стью разработанных математических моделей, а также результатами произ водственных испытаний разработанных технологий и оборудования.



Научная новизна. Выполненные в работе исследования позволили полу чить совокупность новых знаний:

- на основании информационного подхода предложены принципы разработки способов интенсификации и энергосберегающих электротехнологий сушки и предпосевной обработки зерна;

- обоснованы необходимые и достаточные параметры для контроля процесса активного вентилирования зерна;

- разработаны технические средства и алгоритмы управления процессом суш ки зерна активным вентилированием, реализующие принципы информаци онного подхода;

- получены математические модели, технология и технические средства ин тенсификации полем СВЧ процесса сушки зерна активным вентилированием;

- предложены математические модели и электротехнологии предпосевной обработки зерна на установках активного вентилирования, реализующие принцип максимума информации в реакциях зерновки.

Новизна технических решений подтверждена 7 патентами и авторскими свидетельствами на изобретения.

Практическая ценность работы заключается: в создании научно– методических основ разработки энергосберегающих электротехнологий сушки и предпосевной обработки зерна;

в разработке технических средств и алгоритмов управления процессом сушки зерна активным вентилированием;

в разработке технологии интенсификации полем СВЧ процесса сушки зерна активным вентилированием;

в разработке электротехнологии предпосевной обработки зерна на установках активного вентилирования. Разработанные электротехнологии предпосевной обработки семян прошли производствен ные испытания и внедрены на ряде сельскохозяйственных предприятий, где подтверждена их экономическая эффективность. Результаты исследований по интенсификации полем СВЧ процесса сушки зерна активным вентилиро ванием применены при разработке конструкций СВЧ активных зон зерносу шилок. Создана и внедрена в учебный процесс агроинженерной академии на учно-учебная техническая база подготовки специалистов по использованию электротехнологий в процессах сушки и предпосевной обработки зерна.

Реализация результатов исследования. Результаты исследований вне дрены в технологической линии обработки зерна УОФХ АЧГАА, РИАМА, используются в учебном процессе ФГОУ ВПО АЧГАА, использованы фир мой «ООО Аграрные Сверхвысокочастотные Технологии» при разработке конструкций СВЧ активных зон зерносушилок.

Апробация работы. Результаты исследований доложены и одобрены на всесоюзных и международных научно-практических конференциях: «Акту альные проблемы повышения технического уровня сельскохозяйственных машин» (Москва, ВИСХОМ, 1987), «Проблемные вопросы автоматизации производства» (Воронеж, 1987), «Механизация и автоматизация технологи ческих процессов в агропромышленном комплексе» (Москва, ВИМ, 1989), «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термо влажностная обработка материалов)» (Москва, МГАУ, 2002), «Компьютер ное моделирование и информационные технологии в науке, инженерии и об разовании» (Пенза, 2003), «Актуальные проблемы агропромышленного ком плекса» (Зерноград, 2005), «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» (Пенза, 2006), «Проблемы исследования и проектирования машин» (Пенза, 2006), «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (Москва, ВИЭСХ, 2008), «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве» (Углич, 2008), на научно-практических конференциях ВНИПТИМЭСХ (1999, 2001), Челябинского ГАУ (2002), Ставропольского ГАУ (2002, 2006, 2008), КубГАУ (2003), Саратовского ГАУ (2006), МГАУ (2008) и ежегодных научно практических конференциях АЧГАА (Зерноград, 2001…2008).

Публикации. По материалам исследований опубликовано более 90 науч ных работ, из них две монографии и 13 статей в научных журналах, рекомен дованных ВАК Минобрнауки РФ. Получено 7 патентов и авторских свиде тельств на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, библиографического списка и прило жений. Она изложена на 290 страницах машинописного текста, содержит рисунков, 25 таблиц и включает библиографический список из наименований.

На защиту выносятся основные положения диссертации:

- полученные с использованием информационного подхода принципы (ме тодика) разработки способов интенсификации и энергосберегающих элек тротехнологий сушки и предпосевной обработки зерна;

- необходимые и достаточные параметры для контроля процесса активного вентилирования зерна;

- технические средства и алгоритмы управления процессом сушки зерна ак тивным вентилированием;

- математические модели, технология и технические средства интенсифика ции полем СВЧ процесса сушки зерна активным вентилированием;

- математические модели и электротехнологии предпосевной обработки зер на на установках активного вентилирования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы ресурсосбережения при производстве зерновых культур, приведены цели и задачи исследования, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе раскрыты проблемы неиспользования биоинформацион ного потенциала семян как биологического объекта при сушке, снижения эффективности предпосевной обработки из-за недооценки адаптивных реак ций семян, контроля процесса активного вентилирования, управления про цессом сушки зерна активным вентилированием. Рассмотрены биоэнергети ческий и информационный подходы к описанию поведения зерновки в про цессе сушки и предпосевной обработки, на базе которых предложены вари анты ресурсосберегающих технологий сушки и предпосевной обработки зер на.

Адаптационный подход. Существующие методы предпосевной обработ ки семян с использованием различных, в том числе и электрофизических, воздействий разрабатывались, как правило, без учета особенностей биологи ческих реакций зерновки. Поэтому полученный эффект носил частный ха рактер, его трудно было распространить не только на другие культуры семян, но даже и разные сорта. В то же время способности растительных организ мов адаптироваться к изменяющимся условиям существования посвящено много исследований Александрова В.Я., Батыгина Н.Ф., Гаркави Л.Х., Грод зинского Д.М. Анализ их работ показывает, что приспособительный акт мо жет осуществляться на всех уровнях организации живой системы от биоце нотического до клеточного. Выбор необходимой стратегии приспособления организма или клетки определяется величиной возмущающего воздействия и временем действия.

При организации предпосевной обработки семян важна не столько вели чина воздействующего фактора, сколько приращение его величины по отно шению к исходному состоянию. Для повышения резистентности (и как след ствие посевных качеств) семян необходимы следующие условия:

- для прохождения адаптационных реакций на уровне не структурных, а функциональных изменений воздействие должно быть постепенно нарас тающим, длительным, перемежающимся (циклическим);

- для получения реакции активации необходимо физическое воздействие определенной величины, далее его следует уменьшить или прекратить. Затем увеличить силу воздействия на 20-25% по отношению к первоначальному значению;

- начальная величина воздействия должна быть минимальной для прохо ждения адаптационных реакций на нижних этажах реактивности. При этом уровень реактивности будет наивысшим;

- наибольший эффект от физического воздействия будет при сочетании неспецифических реакций со специфическими.

Энергетический подход. Затраты энергии на развитие растения, форми рование семени можно представить с помощью функциональной зависимо сти Эразв. = f (Эпит.в., Эt, Эсв., Эw), где Эразв. – энергия, идущая на развитие растения, формирование семени;

Эпит.в – энергия, расходуемая растением в зависимости от количества пита тельных веществ в почве;

Эt – энергия, расходуемая растением в зависимости от температуры воздуха и почвы;

Эсв.а – энергия, расходуемая растением в зависимости от освещенности;

Эw – энергия, расходуемая растением в зави симости от количества влаги в почве и воздухе.

При любых агротехнических и природно-климатических факторах расте ние формирует такие посевные качества семян, которые должны обеспечить его развитие при наименьших внутренних энергетических затратах.

Это позволяет сделать несколько выводов:

– принцип экономии энергии не всегда является определяющим в пове дении и развитии биологических объектов и не может быть принят в качест ве основного;

– прежний «опыт» формирования и развития семени может создавать ограничение на максимальное использование его потенциальных возможно стей как сорта (консервативное поведение);

– система саморегуляции биологических процессов семени имеет не сколько стационарных состояний, определяемых сортовыми особенностями и «опытом» предшествующих развитий и послеуборочных обработок.

Термодинамический подход. Процесс предпосевной обработки семян заключается в передаче энергии или количества вещества, принятого за воз действие на зерновку. Поэтому процессы, происходящие в системе "элемент воздействия – зерновка", могут быть описаны с точки зрения термодинами ческих процессов, протекающих в биологических объектах.

В соответствии с термодинамическим критерием приспособления биоло гических структур, если при изменении внешних условий, окружающих био логическую систему, система способна поддерживать стационарное состоя ние, то она адаптируется (приспосабливается) к этим изменениям, что спо собствует сохранению жизнеспособности.

Данный критерий хорошо согласуется с приведенным ранее описанием поведения зерновки как адаптационной реакции и позволяет сделать вывод, что каждой адаптационной реакции (тренировка, активация, стресс) соответ ствует свое стационарное состояние.

В соответствии с принципом Цинглера, изолированная система в своих реакциях стремится принять состояние, характеризующееся максимальной энтропией, причем старается это сделать в кратчайшие сроки.

Принцип максимума энтропии биологического объекта может быть запи сан следующим образом:

S(X) = i p(xi)log(1/p(xi)) max.

Варьируемыми переменными в этом случае являются вероятности раз личных состояний p(xi). S(X) – энтропия системы. Как правило, достигаемый максимум является условным, поскольку всегда есть ограничивающие усло вия, препятствующие бесконечному росту энтропии. Наиболее важными яв ляются ограничения на «ресурсы» U(xi):

U(X) = i p(xi)U(xi) const.

В качестве ресурсов могут выступать энергия, вещество, время и т.д.

С учетом ограничений принцип максимума энтропии может быть записан следующим образом: S(X) = U(X) max, где – множитель Лагранжа, играющий роль масштабного коэффициен та, характеризующий дефицит ресурсов, а следовательно, относительный вес второго сомножителя. Например, если запас энергии в системе мал, то бу дет большим, следовательно, система в своем поведении руководствуется «экономией энергии». Если запас энергии велик, то в своем поведении и раз витии система будет стремиться к увеличению энтропии.

Вокруг стационарного состояния в своем поведении система руково дствуется принципом Пригожина (минимумом производства энтропии).

В соответствии с термодинамическим подходом сформулированы прин ципы реакций зерновки на внешние воздействия:

- уровень внешнего воздействия на зерновку может быть таким, чтобы зерновка не переходила в другое стационарное состояние. В этом случае адаптационная реакция будет находиться в стадии «тренировка». Эффект предпосевной обработки семян будет слабовыраженным и малопродолжи тельным;

- при внешнем воздействии, когда зерновка переходит в другое стацио нарное состояние, эффективность предпосевной обработки и продолжитель ность эффекта зависит от того, какому значению энтропии соответствует новое стационарное состояние;

- время, в течение которого зерновка будет оставаться в новом стацио нарном состоянии, будет разным в зависимости от того: а) каким способом зерновка выведена из исходного стационарного состояния (какой вид внеш него воздействия применялся);

б) какому значению энтропии соответствует новое состояние зерновки.

Информационный подход. Сопоставимость термодинамической энтропии и информации о состоянии системы позволяет использовать информацию в качестве критерия для оценки развития системы. А также для определения направления происходящих в ней процессов.

Согласно Шеннону, информация, которую содержит событие (состояние, предмет) Y о событии Х, равна I(X,Y) = log2[p(X/Y)/p(X)], где p(X) – вероятность возникновения события Х до возникновения собы тия Y;

p(X/Y) – вероятность возникновения события Х при условии наступле ния события Y (условная вероятность).

В случае когда сообщение Y о событии Х является абсолютно точным, то p(X/Y) = 1 и I(X,Y) = log2(1/p(X)).

Следовательно, неопределенность системы определятся наличием и вели чиной условной информации (условной энтропии). В этом случае выражение для нахождения величины взаимной информации между двумя событиями будет иметь следующий вид: I(X,Y) = H(X) - H(X/Y), где H(X) – безусловная энтропия, бит;

H(X/Y) – условная энтропия, бит.

Г.А. Голицын и В.М. Петров сформулировали экстремальный принцип, который определяет многие формы поведения живых организмов. В том чис ле и зерновки как единичного биологического объекта, и зернового слоя в целом. Использование данного принципа, по нашему мнению, позволяет оценить эффективность различных методов воздействия на зерновку и зерно вой слой как с целью сушки, так и предпосевной обработки.

Суть принципа заключается в следующем. Для достижения наилучшего результата внутренней реакции биологический объект должен обеспечить максимум взаимной информации между воздействием среды и собственны ми реакциями I(X,Y) max.

Принцип максимума информации может быть представлен в двух экви валентных формах: I(X,Y) = H(X) - H(X/Y)= H(Y) - H (Y /X) max (1).





С использованием множителя Лагранжа и ограничений на ресурсы выра жение (1) может быть представлено в следующем виде:

I(X,Y) = H(X) - H(X/Y) - U(X,Y) max. (2) Условие максимума информации, с учетом ограниченности ресурсов, может быть заменено требованием максимума полезности L= I(X,Y).

Полезность L изменяется, в основном, при изменении условной энтропии H(X/Y) (условной вероятности события). Остальные члены уравнения под вержены изменению в меньшей степени. Поэтому их изменениями можно пренебречь. Полезность, взятая с минусом, будет означать вредность реак ции. Для одной условной вероятности её зависимость представлена в сле дующем виде:

-L = {H(X/y1) + [(U(x1,y1) – U(x0,y1))]p(x1/y1)}p(y1) +A, (3) Или -L = {H(X/y1) + Kp(x1/y1)}p(y1) +A, (4) где H(X/y1) = H(x0/y1) + H(x1/y1);

А – слагаемое, содержащее члены урав нения, которые не зависят от условной вероятности p(x1/y1);

x0 – стимул, дей ствующий на биологический объект и уменьшающий условную энтропию p(x1/y1);

x1 – стимул, увеличивающий условную энтропию при действии на объект.

Организм может управлять условной вероятностью, уменьшая или увели чивая потоки стимулов x0 и x1. В этом проявляются реакции биологического объекта.

Изменение полезности реакции может быть представлено графически (рис. 1). Графическая зависимость –L = f(p(x1/y1)) имеет вид холма (слагаемое H(X/y1)), расположенного на наклонной поверхности (слагаемое Кp(x1/y1).

Состояние биологической системы, её реакция на внешнее воздействие, могут быть представлены в виде шарика, расположенного на поверхности холма.

Как видно из рисунка 1, биологическая система имеет два устойчивых со стояния p(x1/y1) = 0 (положение 4) и p(x1/y1) = 1 (положение1). Соответствен но, вокруг каждой из этих точек существуют зоны устойчивости (притяже ния), находясь или попав в которые, биологический объект не меняет своего состояния.

Размер зоны устойчивости зависит от угла наклона основа ния холма (слагаемое 2 выраже ния 4). За счет внешнего воз действия начинает уменьшаться условная вероятность p(x1/y1).

Биологический объект за счет внутренних сил начинает «со противляться» происходящим изменениям. Это так называе мая фаза «превентивного тор можения». Такое сопротивление продолжается до тех пор, пока Рис. 1 – Зависимость полезности реак- хватает запаса устойчивости. На поверхности -L = f(p(x1/y1)) – ции биологического объекта от это точка максимума функции условной энтропии p(x1/y1)пред (положение 2).

Достигнув её, организм перестает «сопротивляться» и «скатывается» в новое устойчивое состояние. При изменении внешнего воздействия биологический объект будет «сопротивляться» выходу из нового стационарного состояния.

Дальнейшее изменение эффекта воздействия невозможно без смены вида внешнего воздействия. Изменение вида внешнего воздействия способствует тому, что преодолевается адаптация зерновки к внешнему воздействию, и она начинает «сопротивляться». Последовательность изменения полезности повторяется.

Отсюда следуют основные принципы, которые необходимо соблюдать при разработке способов предпосевной обработки:

- необходимо определить минимальную энергетику внешнего воздейст вия, которую воспринимает зерновка;

- воздействие должно быть циклическим. Периоды циклов зависят от культуры семян и вида биофизического воздействия;

- амплитуда внешнего воздействия в каждых циклах может быть различ ной (с увеличением от цикла к циклу);

- для получения специфических реакций семян, которые выражаются в изменении структуры урожая, необходимо манипулировать видами биофизи ческих воздействий.

Информационный подход к описанию поведения зернового слоя при сушке.

Исходные данные. Зерновка находится в состоянии покоя. Её внутренняя реакция определяется внешним воздействием x1, которое не требует никакой коррекции поведения зерновки. Внешнее воздействие x0, в виде агента суш ки, отсутствует. При этом p(x1/y1) = 1, p(x0/y1) = 0, H(x0/y1) = H(x1/y1)= 0, H(X/y1) = 0. Шарик, характеризующий состояние зерновки находится в край нем правом, устойчивом положении (рис.1). Угол наклона основания энтро пийного холма определяется минимальной энергией, необходимой для под держания устойчивого состояния шарика. Осуществляется низкоэнергетиче ское внешнее воздействие x0, U(x0, y1) U(x1, y1).

Внешнее воздействие слабое – температура, относительная влажность, скорость сушильного агента такова, что зерновка за счет внутренних реакций позволяет «удержать» свое текущее состояние.

В такой ситуации большое значение приобретает фактор времени. Пред ставим энергию как мощность, отдаваемую в течение времени U = P. Тогда -L = {H(X/y1) + [(Р3(x1, y1) - Рв.в.(x0, y1)].р(x1/y1)}р(Y) + A (5) Величина Р3 = const и определяется многими факторами, влияющими на за пас внутренней энергии зерновки. Длительное действие внешнего воздейст вия (Pв.в.) приводит не только к исчерпанию запасенной энергии зерновки (P ) и, как следствие, к уменьшению второго слагаемого выражения 4, но и к увеличению реакции зерновки на внешнее воздействие р(x0/y1), а р(x1/y1), H(X,Y).

Уменьшение энергетики зерновки приводит к опусканию правого края основания кривой H(X/y1). Это должно приводить к повышению устойчиво сти состояния зерновки в крайнем правом положении. Однако происходит и уменьшение условной вероятности р(x1/y1), поэтому полезность воздействия падает (растет вредность), состояние зерновки приближается к границе ус тойчивости.

Переход шарика в крайнее левое положение определяется соотношением изменения скоростей изменения H(X/y1) и Р3. Если влияние внешнего воз действия на зерновку нарастает быстрее, чем уменьшение запаса энергии зерновки (dH(X/y1)/d dР3/d), то переход (срыв регуляции) произойдет раньше. В противном случае переход шарика в крайнее левое положение произойдет не позднее, чем р(x0/y1) станет больше р(x1/y1).

После срыва регуляции зерновка перестает сопротивляться внешнему воз действию. Вредность реакции может быть определена из выражения -L = {H(X/y1) - (Рв.в р(x1/y1)}р(Y)+ A (6) или -L = {H(X/y1) + [(-Р3(x1,y1) -Рв.в.(x0, y1)] р(x1/y1)}р(Y)+ A (7) Графически ситуация может быть представлена положением 3 шарика на рис.1.

В случае если реакцию зерновки (y1) полностью будет определять внеш нее воздействие, то р(x1/y1)= 0, H(х0/y1 ) = 1 = Н(х0), Н(x1/y1)=0, Н(x/y1)=0.

Шарик находится в крайнем левом устойчивом положении (положение 4 на рис.1). После смены внешнего воздействия положительный эффект реакции биологического объекта максимален.

Анализ поведения зерновки, ее реакции на внешние воздействия позво ляяют говорить, что для сушки зерна эффективнее те периоды внешнего воз действия, когда реакция зерновки находится в фазе превентивного торможе ния. Именно в этом состоянии зерновка использует внутреннюю энергию для решения целей процесса сушки.

С позиции принципа максимума взаимной информации получается, что процесс сушки приводит к увеличению взаимной информации. Однако для снижения энергоемкости процесса необходимо использовать такие режимы сушки, чтобы «вынуждать» зерновку как можно чаще и дольше находиться в состоянии «превентивного торможения». Такую сушку Бородин И.Ф. и Фо мичев М.М. назвали сушкой в состоянии физиологического возбуждения.

Состояние зерновки при таком способе сушки может быть представлено гра фически положением 2 шарика на рис.1.

Для реализации способа сушки зерна в состоянии физиологического воз буждения необходимо, чтобы шарик, физически моделирующий состояние зерновки, совершал колебательные движения вокруг точки срыва регуляции (р(x1/y1) = р(х0/y1)).

Использование электротехнологий (озонирование агента сушки, насыще ние воздуха аэроионами, использование электроосмоса) является дополни тельным внешним управляемым воздействием на зерновку. Это дает воз можность более гибко управлять процессом сушки. При достаточно невысо ких энергозатратах (чем больше энергозатраты, тем ниже опускается правый край энтропийного холма, повышая устойчивость системы (рис.1)), электро технология может оказывать значительное влияние на величину условной энтропии. Управляя величиной электротехнологического воздействия, можно управлять реакцией зерновки на основное внешнее воздействие – агент суш ки.

Еще большего эффекта можно добиться при периодическом действии электротехнологического воздействия. Появляется возможность увеличить в процессе сушки количество периодов превентивного торможения, значи тельно сократив энергоемкость процесса.

В таком случае применение электротехнологии в зерносушении приобре тает совершенно другую роль. Из второстепенного вспомогательного факто ра электротехнология становится «мощнейшим» управляющим воздействи ем, интенсифицирующим процесс сушки.

Из формулы (1) следует, что добиться максимизации информации процесса можно и другим путем – увеличивая Н(Х)- безусловную энтропию процесса.

Применительно к процессу сушки это означает следующее. Если внешнее воздействие полностью определяет состояние зернового слоя, то условная энтропия H(X/Y) 0, а безусловная Н(Х) max. В идеальном случае I(X, Y) = H(X) = max.

Если использование при сушке электроактивированного воздуха, озона, электроосмоса позволяет управлять величиной условной энтропии процесса, то применение полей СВЧ относится к другому направлению – увеличению безусловной энтропии. В этом плане применение СВЧ полей сродни приме нению сушки зерна в псевдосжиженном и кипящем слое.

Из принципа максимума информации следуют три основных приема, ис пользование которых в зерносушении даст эффект ресурсосбережения:

- цикличность, периодичность внешнего воздействия на зерновой слой;

- использование внешнего воздействия, которое задает состояние всего зернового слоя;

- изменение вида внешнего воздействия в процессе сушки.

Наибольший эффект в этом случае может быть получен при использовании электротехнологии.

Исходя из принципа максимума информации и опыта практического вне дрения новых технологий в процесс сушки зерна можно сказать, что для ин тенсификации процесса активного вентилирования зерна возможно примене ние следующих методов:

- изменение скорости и направления агента сушки;

- использование электрических и магнитных воздействий, потоков иони зированных и заряженных частиц.

Исследованием вышеуказанных методов занимались такие ученые, как:

Анискин В.И., Бастрон А.В., Бородин И.Ф., Вендин С.В., Голубкович А.В., Краусп В.Р., Ксенз Н.В., Лыков А.В., Пахомов В.И., Резчиков В.А., Рудобаш та С.П., Секанов Ю. П., Ткачев Р.В., Троцкая Т.П., Цугленок Н.В., Чижиков А.Г., Фомичев В.Т., Фомичев М.М. и многие др.

Изложенное позволяет сформулировать задачи, которые необходимо ре шить для осуществления метода интенсификации сушки зерна активным вентилированием, путем циклического изменения подачи агента сушки:

- разработать режимы циклического изменения подачи агента сушки;

- обосновать контролируемые параметры технологического процесса, при необходимости разработать соответствующие средства контроля и управле ния;

- использовать электротехнологическое воздействие (поле СВЧ), которое задает состояние всего зернового слоя.

Во второй главе дано обоснование контролируемых параметров процесса активного вентилирования зерна и произведена разработка средств контроля процесса.

Рассмотрена информативность каждого составного элемента комплекса "источник информации": атмосферный воздух (сушильный агент, система А), зерновка (зерновая масса, система В) и всего комплекса в целом (система (А,В)). Оценка информативности осуществлялась с учетом особенностей тех нологии процесса сушки зерна активным вентилированием и условий безо пасного хранения зерна.

Возможность активного вентилирования семян атмосферным воздухом и скорость сушки зависит от его относительной влажности и температуры. По этому исследования проводились по этим параметрам. Были определены из менения оценок математического ожидания относительной влажности и тем пературы воздуха в течение суток по месяцам. В качестве оценок этих вели чин приняли среднее значение выборки.

Для оценки информативности измерения параметров атмосферного воз духа использовали гистограммы относительной влажности и температуры для выборок за июль. Весь диапазон изменения относительной влажности воздуха разделили на три участка: 0...70%;

70...80%;

80...100%. Вероятности того, что относительная влажность в любое время суток может принадлежать каждому из участков, определяли по гистограммам. Так для выборки за июль вероятности по участкам составили: pF1= 0,564;

pF2 = 0,252;

pF3 = 0,184. Пол ную информацию о влажности воздуха нашли, как H (F ) = H (F1 ) + H (F2 )+ H (F3 ) = 0,564 log2 0,564 + 0,252 log2 0,252 + 0,184 log2 0,184 = 1,43 бит.

Весь диапазон температуры воздуха был разбит на три участка: 0...10°С;

10...20°С;

20...35°С;

с вероятностями попадания температуры на данный ин тервал для выборки за июль pT1 = 0;

pT2 = 0,443;

pT3 = 0,557. Информация о температуре составила H (T ) = 0,443 log2 0,443 + 0,557 log2 0,557 = 0,99 бит.

Энтропия объединенной системы "температура-влажность" определится из уравнения: Н(А)= H (F1T ) = H (F ) + H (T F ) = 1,43 + 0,546 = 1,976.

В соответствии с принципом максимума информации при достижении зерном равновесной влажности его энтропия принимает минимальное значе ние. В таком состоянии зерно (система В) содержит минимальную информа цию, поскольку его состояние полностью определяется агентом сушки. Сле довательно, основная часть информации приходится на элемент "сушильный агент" системы.

При постоянных входных параметрах воздуха и равномерном его распре делении по слою зерна можно в любой момент времени рассчитать темпера туру и влажность зернового слоя. В этом случае контроль сводится только к измерению входных параметров сушильного агента, к поддержанию их на заданном уровне, соблюдению экспозиции сушки. Энтропия системы H(А, В) = H(А), т.е. информации о входных параметрах сушильного агента вполне достаточно для контроля процесса сушки.

При случайных изменениях параметров сушильного агента (атмосферно го воздуха), неравномерности распределения воздуха по слою ситуация ме няется. Полная энтропия системы "сушильный агент - зерновой слой" запи шется в виде H(A, B) = H(B/A)+H(A), где H (B/A) – условная энтропия систе мы В при изменении системы А.

Общая энтропия системы возрастает, теряется определенность ее состоя ния на любом переменном временном участке. Неопределенность состояния будет колебаться при изменении вероятностей взаимных состояний систем В и А. Системы контроля постоянно будут ощущать переменный дефицит ин формации, равный превышению энтропии H(В/А).

Вполне очевидно, что контроля только за входными параметрами су шильного агента недостаточно, необходимо компенсировать дефицит ин формации об изменениях в зерновом слое. Энтропия H(В/А) распределя ется в зерновой массе между элементарными слоями. В процессе сушки каж дый элементарный слой обладает энтропией, определяемой из выражения:

H (L ) = [H (B A ) H (B A) K N )] (N K ), где H(L) – энтропия элементарного слоя, бит;

N – общее количество эле ментарных слоев, шт.;

K – количество элементарных слоев, находящихся в гигротермическом равновесии с сушильным агентом, шт.

Из полученного выражения видно, что в процессе сушки энтропия эле ментарного слоя постоянно изменяется, причем эти колебания характерны для конкретного слоя и их случайность обусловлена случайностью измене ния входных параметров сушильного агента. Поэтому если пытаться полно стью ликвидировать дефицит информации H(B/A) путем помещения в зерно вой слой датчиков (температуры и влажности), то потребуется такое их ко личество, сколько элементарных слоев. Причем многие из них, при нахожде нии элементарного слоя семян в гигротермическом равновесии с сушильным агентом, никакой полезной информации передавать не будут, т.е. создается избыток информации, равный H(B/A)K/N. Поэтому целесообразно оценить, какую информацию о зерновом слое (система В) несет в себе сушильный агент на ее выходе (система С).

Полная информация о системе B, содержащаяся в системе C, определится из выражения: I C B = H (B ) H (B C ), где I C B - полная информации о системе B, содержащаяся в C;

H(B/C) условная энтропия изменения системы B при изменении системы С.

I C B = H (B A) H (B C ).

Но H(B) = H(B/A), поэтому Отсюда следует, что при контроле выходных параметров сушильного агента неопределенность информации о состоянии зернового слоя снижается на величину I C B, но дефицит информации остается, и он равен H(B/C). Сле довательно, неопределенность обо всем толстом слое, при контроле над ним по выходным параметрам агента сушки, будет оставаться постоянно, вплоть до завершения сушки. Для выходного элементарного слоя H(В/С) близка или равна 0 и I CB = H ( A B ). Очевидно, что, контролируя выходные параметры сушильного агента, имеем полную информацию о граничном выходном слое зерна. Этого вполне достаточно, т.к. сушка ведется до высыхания внешних слоев.

Таким образом, для контроля процесса активного вентилирования жела тельно измерять температуру и влажность воздуха на входе и выходе зерно вого слоя.

На практике, для определения возможности использования атмосферного воздуха без подогрева для активного вентилирования, определяют, какую влажность зерна обеспечит данный воздух при его применении в качестве агента сушки. Иначе говоря, определяют, какую равновесную влажность (Wp) примет зерновой слой при его длительном продувании атмосферным воздухом с заданными параметрами. Имеется зависимость, отражающая взаимосвязь влажности зерна и параметров воздуха. Однако эта зависимость применяется для стационарных состояний, когда нет тепловлагообмена. Воз можность использования её для контроля параметров зернового слоя при вентилировании требует уточнения. С этой целью проводили моделирование процесса сушки зерна активным вентилированием.

Для расчета сушки семян активным вентилированием был использован, как наиболее доступный, известный ступенчатый метод, в основе которого лежит упрощенный механизм тепло - и массообмена. Для расчета была раз работана программа для ПЭВМ на алгоритмическом языке высокого уровня.

Результаты моделирования показали, что влажность зерна, рассчитывае мая по параметрам агента сушки на выходе из зернового слоя (ВПАС), с достаточной точностью характеризует изменение влажности выходных слоев зерна, что подтверждает возможность использования средств оценки равно весной влажности зерна для контроля за протеканием процесса активного вентилирования.

В качестве алгоритма функционирования средства оценки равновесной влажности принято уравнение Дея-Нелсона, как дающее наименьшую по грешность определения равновесной влажности зерна.

Со всеми коэффициентами уравнение Дея-Нелсона записывается в виде:

ln (1 F ) или W P = a + b F + c T, WP = b1T b a 1T a ln (1 (1 F0 )) n ln (1 (1 F0 )) n 1 где a= ;

b= ;

n (1 F0 ) к к 1 1 n ln (1 (1 F 0 )) n ln (1 (1 F 0 )) a 2 b 2 ln T 0 b 2 ln a c= bT b, к a где n = b1T b 2 ;

k = a1T ;

F0, T0 – координаты точки перегиба кривой.

a Для реализации данной зависимости разработано и изготовлено средство оценки равновесной влажности зерна. На его базе разработано средство оценки влажности зерна.

Основываясь на особенностях воздухораспределения в бункерах активно го вентилирования, при передвижении запорного клапана определено, что для контроля процесса активного вентилирования возможна установка дат чиков только в одной точке бункера, а именно в нижней его части на 1/3 вы соты. Кроме того, косвенный контроль позволяет при необходимости пере двигать датчик по высоте бункера и получать при этом информацию о рас пределении влажности слоя зерна.

При определении необходимой частоты контроля входных параметров воздуха учитывали их суточные колебания и требования по ограничению влажности воздуха при активном вентилировании, предъявляемые к системе регулирования. Требуемая частота контроля для этих регулирующих воздей ствий определялась из условия максимума информации для каждого измере 1 (1 p ) = (1 p ) ;

откуда K = 1 log (1 p ), ния:

K K где p – вероятность возникновения необходимости регулирующего воздействия при данном измерении;

К – требуемое количество раз контроля.

Установлено, что входные параметры агента сушки необходимо контролиро вать 10 раз в сутки с интервалом времени в 2,4 часа на протяжении всего процесса активного вентилирования.

Результаты моделирования сушки зерна при активном вентилировании показали, что в начале процесса контроль влажности не требуется. Частота колебаний влажности зерна в бункере активного вентилирования при сушке определялась из скрытого периода колебаний Т = 20 ч. В соответствии с тео ремой Котельникова периодичность контроля параметров воздуха на выходе из зернового слоя составила 3,2 часа.

В соответствии с принципом максимума информации, на основании ре зультатов моделирования процесса сушки зерна активным вентилированием предложено увеличивать производительность вентилятора в моменты, когда относительная влажность воздуха меньше 65% (это соответствует равновес ной влажности зерна пшеницы и ячменя 14%). При этом будет выполняться изменение уровня трех видов воздействия – изменение температуры и влаж ности атмосферного воздуха и увеличение скорости фильтрации воздуха.

Результаты моделирования показали, что длительность сушки при регу лировании производительности вентилятора в 4,7 раза меньше, чем при обычном способе вентилирования. Неравномерность сушки остается на том же уровне или снижается до 1%.

Третья глава посвящена синтезу и моделированию системы управления процессом сушки зерна активным вентилированием.

Для управления процессом сушки зерна на основании принципа макси мума информации, разработана система управления, структурная схема ко торой приведена на рисунке 2.

Система содержит три контура и предусматривает: регулирование влаж ности воздуха на выходе калорифера;

регулирование производительности вентилятора в зависимости от параметров атмосферного воздуха;

контроль процесса по параметрам воздуха на входе и выходе зернового слоя.

При рассмотрении проблем управления процессом сушки установлено, что для реализации оптимального управления необходимо: иметь регулируе мый электропривод вентилятора с мощностью, обеспечивающей требуемую производительность при сушке влажного зерна;

математическую модель те пловлагообмена в зерновом слое, позволяющую рассчитывать изменение па раметров сушильного агента и зернового слоя;

критериальное уравнение;

граничные условия.

Тз Рис. 2 – Структурная Fвых, Tвых Fвх,Твх, Q 7 8 1 Fз схема системы управления про Тз Fз цессом активного вентилирова ния зерна:

9 10 II III I 1 - объект управления;

2,9 – датчики температуры воздуха;

12 3,10 - датчики влажности воз Wрз Wpв духа;

4,11 – функциональный 11 преобразователь(измеритель равновесной влажности);

5,12,13 – элемент сравнения;

13 Wp Wp – задатчик равновесной влаж ности;

7 – вентиляционный блок;

8 – калорифер Для разработки модели тепловлагообмена в зерновом слое предложили использовать модель элементарного слоя, фрагмент которой по каналу отно сительной влажности приведен на рисунке 3.

W0=20% WH W(p)WF Рис. 3 - Фрагмент модели FH W(p)FF элементарного слоя зерна при его сушке V0=0,3м/с Fвых Vвх W(p)VF Критериальное урав T0=20° TH нение получено из зависи W(p)TF мостей, описывающих 0=20° энергопотребление калори H фера при сушке зерна ак W(p)F тивным вентилированием.

Общее энергопотребление Э на активное вентилирование складывается из энергии потребляемой вентилятором, Эв и энергии, потребляемой калори фером, Эк. При постоянных значениях T, F и V QP = Эв + Эк = + Q С в В (Т вых Т вх ) к, Э 3600 1000 в где Q – производительность вентилятора, м3/ч;

P – напор вентилятора (со противление зернового слоя), Па;

– КПД вентилятора, от. ед. в – время ра боты вентилятора (время вентилирования зерна), ч;

Св – удельная теплоем кость воздуха, Вт·ч/кг·0С;

в – плотность (удельный вес) атмосферного возду ха, кг/м3;

Твых – температура воздуха на выходе калорифера, 0С;

к – время ра боты калорифера, ч;

Твх = Татм – температура воздуха на входе в калорифер (атмосферного воздуха), 0С.

С использованием критериального уравнения, полученного В.И. Аниски ным для описания процесса сушки зерна активным вентилированием, нашли энергетический критерий оптимальности:

(0, 0064 Q + 1, 089 10 Q ) l d 0,.

r W 0, 2, 6 c Эн = 8, 333 10 min Q 10 0, 31 пр 0, 1, T Tm з c 273 + T c С учетом того, что мощность установленного электродвигателя N = 7, кВт, граничные условия запишутся в виде:

2,778 10 Q ( 0,0064 Q + 1,089 10 Q ) l 7 6 7,5;

1, 0, r W Tн T м d пр, 24 l 1, 0,003 Q пр ;

0, c 273 + Т 0, з н Q 0.

Где r = 2500, кДж/кг;

= 14,9·10-6 м2/с;

dпр= 3,48·10-3 (для пшеницы), м;

сз= 1,0+0,046·Wн, кДж/кг·оС.

Если ставится задача обеспечить максимальную производительность ус тановки с учетом технических ограничений по мощности двигателя вентиля тора, тогда целевая функция имеет следующий вид:

1, 0, rW Tc Tм d пр, 24l 1, = 0,003Q c 273 + Т min;

0, 0, з с при граничных условиях 2,778 10 7 Q ( 0,0064 Q + 1,089 10 6 Q 2 ) l 7,5;

Q 0.

В качестве граничного условия может быть использовано и значение по требленной электроэнергии, которое не должно быть превышено при сушке.

Для поиска оптимального решения применяли математический ППП MATLAB.

Разработана система оптимального управления, реализующая предложен ный алгоритм. Для оценки эффективности работы системы управления была получена её модель. В качестве базового программного продукта применяли программу MATLAB c пакетом Simulink.

Моделирование оптимального управления процесса сушки зерна позво лило получить величину энергозатрат на сушку. Анализ энергозатрат пока зывает, что на их увеличение значительно влияет использование нагрева тельных элементов калорифера для снижения относительной влажности воз духа F. Поэтому при расчете оптимальной подачи вентилятора обязательно нужно учитывать энергозатраты на подогрев воздуха. Граничные условия должны учитывать ограничение мощности калорифера на снижение влажно сти F воздуха.

В этом случае целевая функция энергозатрат будет выглядеть следующим образом:

(0,0064 Q + 1,089 10 Q 2 )l 0, r W Q Эн = (8,333 10 + c з 1, 0, r W Tc T м d пр, 24 l 1, 07 0, 6 10 Qc v ( F 65 )) min.

Q c 273 + Т 0, з В с При граничных условиях 2,778 107 Q(0,0064Q + 1,089 106 Q 2 )l 7,5;

6 104 Qcv ( F 65)) 18;

В 1, 0, rW Tн Tм d пр, 24l 1, 0,003Q c 273 + Т пр ;

0, 0, з н Q 0.

Второе неравенство в граничных условиях предусматривает, что мощ ность калорифера не может быть больше, чем в реальном бункере активного вентилирования – 18 кВт, В приведенных выражениях присутствует переменная F, величина кото рой изменяется в течение времени. Поэтому в процессе поиска оптимальной подачи вентилятора это необходимо учитывать. С использованием возмож ностей оптимизации MATLAB проводилось моделирование системы в усло виях неопределенности параметров атмосферного воздуха. Установлено, что в этом случае эффективность управления сопоставима с эффективностью ра боты при известном суточном графике изменения параметров атмосферного воздуха.

Полученные результаты подтверждают эффективность применения цик лического изменения подачи воздуха при сушке зерна активным вентилиро ванием.

Четвертая глава посвящена реализации второго приема ресурсосбере жения при сушке, полученного с использованием принципа максимума ин формации – использование внешнего воздействия, которое задает состояние всего зернового слоя. В качестве воздействия принято поле СВЧ.

При СВЧ нагреве скорость изменения температуры зернового слоя на много меньше скорости изменения температуры в единой зерновке, скорость изменения давления паров внутри зерновки значительно больше скорости изменения температуры. В этом случае изменение давления в зерновке опи сывается при помощи критерия Померанцева:

2( ц п ) r З R 2 c P 2P Po( ) = a p x 2, c c x = где ц– температура центральной точки тела;

п – температура поверхности тела;

с – средняя температура тела в интервале времени для которого P определяется величина ;

х – расстояние от центра зерновки;

R – опреде Qv R ляющий размер материала, (для зерна – радиус зерновки);

Po = ;

Tc Q = 0,556 E 2 f tg - количество тепла выделенного в материале;

Е – на пряженность электрического поля;

f – частота колебаний;

– диэлектриче ская проницаемость материала;

tg – тангенс угла диэлектрических потерь.

После подстановки Po, Qv и решения критерия Померанцева получили выражение, позволяющее рассчитать изменение давления пара в центре зер новки при её СВЧ нагреве:

2 Q R 2 3,176 a P r ' c ц п З pц + c1, (8) P () = r ' c R З где r' – теплота парообразования;

Pц– начальное давление пара в центре зер новки;

З - плотность зерна;

– коэффициент теплопроводности зерна;

c – емкость тела по отношению к влажному воздуху, c = ;

РН – давление па РН ра материала при данном влагосодержании.

Данное выражение позволяет получить изменение давления пара в центре зерновки при ее СВЧ нагреве.

При прекращении воздействия СВЧ энергии наступает релаксация избы точного давления пара внутри зерновки. В результате решения дифференци ального уравнения переноса пара получим выражение:

2R x 2 a p x x, x Pц 1 1,588 + 0,588 cos P( x, 1 ) = Cos e R dx 2R 2 R R R R a p x После взятия интеграла получим P ( x, 1 ) = 0,9492 Pц 0 е 1 Cos R2 2 R a p P (1 ) = Pц е 1 0, 25 R Для центра зерновки, (9) где Рц – парциальное давление в центре зерновки в момент прекращения действия СВЧ поля;

1 – время, отсчитываемое с момента прекращения дей ствия СВЧ энергии.

Коэффициент конвективной диффузии пара a p играет важную роль в опи сании процессов тепло - и влагообмена, в том числе и при СВЧ обработке.

Определение численной величины этого коэффициента – один из значимых этапов расчета СВЧ сушки, в том числе и сушки зерна.

Решая совместно (8) и (9) относительно ар, получим зависимость a p = f (Q, R,,...) :

ap = 4R2·lambertw(-0,0787·12Pцо·exp(-0,0787(2· (ц - п) - QvR2 + c1r’зcvR2)· 1· ·2/r’/з/cv/R2/Pц/ )/( Pц ))/( 12) + 0,6297· /(r’зcv Pц ) · ( ц - п) + 0,3149 R2/ ( Pц ) · (c1 - Qv/(r’зcv)) где lambertw – функция Ламберта, которая определена как зависимость реше ния x трансцендентного уравнения w e w = x от параметра w, входящего в уравнение.

При постоянной удельной мощности СВЧ излучения основное влияние на величину a p оказывает разность ( ц п ). Зависимость а р = f ( t ) может быть аппроксимирована полиномом: а р = 1,318132 t 10 3 1,57366 10 2,м2/с.

Необходимо подчеркнуть, что полученные выражения являются прибли женными и призваны демонстрировать качественные изменения процесса.

Они позволяют оценить влияние различных факторов на протекание тепло влагообмена при динамическом СВЧ нагреве и сравнить эффективность раз личных режимов СВЧ воздействия. Расчеты показывают, что увеличение мощности СВЧ воздействия приводит к увеличению давления паров в зер новке. Поскольку в установках активного вентилирования обрабатываются большие объемы зерна и процесс это достаточно длительный, то технологи ческое оборудование не позволит своевременно воспользоваться эффектом «быстрого» роста давления влаги внутри зерна. Поэтому нет смысла в увели чении мощности магнетронов в активной зоне. Представляется целесообраз ным использовать магнетроны небольшой мощности (до 1 кВт) с таким раз мещением по активной зоне, которое обеспечит равномерное по зоне распре деление СВЧ поля, а следовательно, и более равномерный нагрев.

В плане определения режимов СВЧ активации зерна при его сушке ак тивным вентилированием не менее важным является процесс релаксации давления внутри зерновки после того, как она покинет активную зону.

Установлено, что величина a p не только изменяется в процессе СВЧ об работки материала, но и при релаксации давления она совершенно другая.

Эмпирически путем получено, что при a p. рел = 6,517 10 7 м 2 / с характер изме нения давления внутри материала сходен с экспериментальными данными, полученными другими исследователями.

Из дифференциальных уравнений, описывающих процесс тепловлагооб мена, следует, что при СВЧ нагреве (10) и после воздействия поля СВЧ (11) Q = a 2 + уд = a c, (10) (11), P P = a pr P = a p P движущие силы процесса зависят от и 2 P. Следовательно, контроли руя их и управляя ими, можно управлять интенсивностью тепловлагообмена.

Однако контролировать перепад давлений паров жидкости внутри зерновки практически невозможно. Поэтому целесообразно рассмотреть связь измене ния давления в зерновке с изменением разности температур ( ц п ).

Установлено, что характер изменения зависимости ( ц п ) = f ( ) иден тичен характеру изменения зависимости P = f ( ), рисунок 4. Причем эта dP = K1 K 2. Коэффициент корреляции между взаимосвязь линейная:

d dP и близок к 1. Это означает, что для контроля за изменением давле d ния жидкости в зерновке при СВЧ обработке зернового слоя достаточно кон тролировать температуру зерновки в ее центре и на поверхности.

Рис. 4 – Взаи мосвязь скоро сти изменения разности темпе ратур и давле ния паров в зер новке Для получения взаимосвязи зависимости и Р после прекращения дей ствия СВЧ воспользовались методикой решения уравнения теплопроводно = a 2 при граничных условиях первого рода.

сти Решение уравнения теплопроводности с учетом ограничений и начальных условий имеет вид:

2 R K 0 x x x a ( x, ) = Cos e R 4 Cos dx, 2 R 2 R R R где 0 – разность ( ц п ) после прекращения действия СВЧ поля.

После взятия интеграла получим:

x a ( x, ) = 0,141 0 K e R 4 Cos.

2 R x Для соотношения = 1 ( по всей длине зерновки) R a = 0 e.

R Расчеты показали, что коэффициент корреляции между и Pрел равен 0,717. То есть взаимосвязь существенная, но не позволяющая однозначно су дить об изменении давления по изменению разности температур. Разобьем кривые релаксации давления и = f ( ) на временные отрезки и найдем для них величину коэффициента корреляции. Для временного интервала в 5 с коэффициент корреляции K P = 0,956. Для 10 с K P = 0,885. Данные ре рел рел зультаты позволяют говорить, что в первые моменты времени (5-10с) после прекращения действия СВЧ поля на зерновой слой по изменению разности температур между поверхностью зерновки и ее центром можно судить о ре лаксации давления паров в зерновке.

С помощью теории подобия процесс активации зернового слоя в СВЧ зо не может быть описан следующим выражением:

Fo = (Po, Fo p ) или Fo = K 1 Po x Fo p, y 1 ap Q R 2 a где Fo p = 2 ;

Po = ;

Fo = 2 ;

K 1, x1, y1 – коэффициенты, которые R R должны быть определены экспериментально.

После прекращения СВЧ воздействия состояние зернового слоя может быть описано только двумя критериями Fo и Fo p :

Fo pr = K 2Fo z a pr где Fo pr = ;

z1 – показатель степени;

a pr – коэффициент конвективного R теплообмена при релаксации давления. Полная система критериальных урав нений, описывающих процесс тепловлагообмена в зерновом слое при СВЧ активации и активном вентилировании, будет выглядеть следующим обра зом:

(12.1) Fo = K1 Po Fop, x y 1 Fo = K Foz, (12.2) pr (12.3) Ho = K3 u Re Fopr, x y z 2 2 y y d Ho = K4 Ko u Re l Fopr, (12.4) x z x 3 3 y Ho = K Kox x Rey d.

(12.5) 5 6 5 u l Уравнение (12.1) описывает процесс активации зерна в СВЧ зоне. Урав нение (12.2) характеризует кратковременный процесс перехода внутри ак тивной зоны за пределы границ действия СВЧ поля. Уравнение (12.3) пред ставляет изменение состояния зернового слоя на пути из активной зоны в бункер активного вентилирования. Выражение (12.4) описывает процесс сушки СВЧ-активированного зерна в бункере активного вентилирования.

Уравнение (12.5) представляет процесс сушки зерна активным вентилирова нием после выравнивания температуры зерновки.

В виду малой длительности во времени процессов, описываемых уравне ниями (12.2) и (12.3), исключим их из системы. Методика определения коэф фициентов критериального уравнения предусматривает необходимость обес печить постоянство одного из критериев. Поэтому целесообразно заменить критериальное уравнение (12.1) функциональной зависимостью следующего вида: = f (Q,W, ).Сокращенная система критериальных уравнений по сле раскрытия критериев будет иметь следующий вид:

= f (Q,W, ), x3 x4 y a pr r W Tc Tм V R d пр y = K c 273 + T l, R2 з 1 c x x y r W Tc Tм V R d пр y V 5 6 = K c 273 + T l.

l з c где 1 = Tв з. ср. ;

Tв – температура воздуха, используемого для сушки зер на активным вентилированием, °С;

з.ср. – средняя температура зерна после активации;

l – толщина зернового слоя.

Данная система уравнений позволит оценить влияние СВЧ активации на интенсивность сушки зерна в бункерах активного вентилирования. В боль шей части она носит качественный характер, но позволяет сравнительно оце нить эффективность использования СВЧ.

В пятой главе рассмотрены варианты применения информационного подхода для определения режимов предпосевной обработки семян атмо сферным или электроактивированным воздухом.

Как показало математическое моделирование процессов тепло - влагооб мена, при активном вентилировании поочередно подогретым и неподогре тым воздухом достигается условие повышения посевных качеств семян, а именно: обеспечиваются условия, вызывающие адаптационные реакции се мян в зонах тренировки, спокойной и повышенной активации.

Как связаны адаптационные реакции с посевными качествами семян, ка кими по силе и продолжительности должны быть воздействия, следователь но, в каких технологических режимах должно работать электрооборудова ние установок активного вентилирования, необходимо определить экспери ментально.

В соответствии с приемами, сформулированными исходя из принципа максимума информации, определяли минимальные уровни факторов, влияющих на посевные качества семян. На первом этапе эксперимента опре деляли влияние скорости воздуха, используемого для обработки, на посев ные качества семян. Температура воздуха при этом оставалась постоянной и была равна 20оС (температура атмосферного воздуха без нагрева).

В результате эксперимента наилучший результат был получен при скоро сти воздуха Vв = 0,3 м/с и длительности обработки tоб = 4 часа. При этом энергия прорастания обработанных семян пшеницы сорта «Колос Дона» уве личилась на 6,75%, а всхожесть на 5,25% по сравнению с контролем. Для се мян пшеницы сорта «Подарок Дону» увеличение энергии прорастания соста вило 5,75%, а всхожести – 4,5%.

Следующим этапом проведения эксперимента было определение влияния температуры воздуха на изменение посевных качеств семян. При этом ско рость воздуха оставалась постоянной и была равна 0,3 м/с (то есть опти мальному значению, полученному на первом этапе эксперимента).

Оптимальная температура воздуха при обработке семян составила 29оС.

При этом энергия прорастания для семян сорта «Подарок Дону» увеличилась на 9,75%, а всхожесть на 8,25%, энергия прорастания семян сорта «Колос Дона» увеличилась на 10,5%, а всхожесть - на 9,5%.

Как показали результаты экспериментальных исследований, максималь ный эффект от обработки сохраняется первые 3 суток после обработки. За тем величина эффекта начинает снижаться и через 7 суток практически сво дится к нулю.

Поскольку исследования проводились для двух различных сортов пше ницы с различной предысторией и урожайностью, то результаты позволяют сделать вывод, что эффект от обработки зависит от сорта и предыстории се мян скорее количественно, чем качественно. Максимальный эффект наблю дается при одних и тех же режимах обработки. Разница заключается лишь в величине эффекта.

Следующим этапом постановочных экспериментов было исследование циклических режимов.

Наиболее эффективным оказался режим, предусматривающий цикличе ский нагрев зерна воздухом с температурой 30оС в течение часа, с после дующим охлаждением атмосферным воздухом в течение часа. Исходная температура зерна з.исх составляла 20 0С. Температура атмосферного возду ха так же была 20 0С.

Обработанные семена высаживались на первый, третий, шестой и девя тый дни после обработки. Для подтверждения результатов, полученных в лабораторных условиях, проведены полевые эксперименты. Лучшие резуль таты получены при Vв = 0,3 м/с, Tв = 29 – 30оС, tоб = 4 часа (то есть по 1 часу на каждую ступень обработки) и время между обработкой и посевом – время отлежки – 2 суток. Независимо от сорта и предыстории семян качественное влияние на них режима обработки одинаково.

Чтобы получить режимы обработки, для реальных установок, провели полнофакторный эксперимент. Для трех факторов: приращение температу ры зерна з в %, скорость воздуха Vв в м/с, время полупериода обработки tоб в ч, получены уравнения регрессии.

Для энергии прорастания:

Э = 27,5736 + 0,693 з + 62, 256 Vв + 20,736 t об + 0,0864 з Vв + + 0,0392 з t об 4,08 Vв t об 0,007 з 69, 44 Vв 9,8 t об.

2 2 Для всхожести:

В = 23,9048 + 0,5981 з + 50,488 Vв + 19,405 tоб + 0,082 з Vв + + 0,035 з tоб 3,9 Vв tоб 0,0067 з 56,32 Vв 9,04 tоб.

2 2 В реальных установках активного вентилирования, в которых толщина зернового слоя может быть более одного метра, имеется существенный пе репад температур. Электрокалорифер будет обеспечивать оптимальную тем пературу воздуха на входе в зерновой слой, выходные слои зерна могут не попадать в зону оптимальной обработки. Поэтому необходимо уточнить режимы работы электрокалорифера (температуру на выходе, частоту вклю чений), обеспечивающие оптимальную обработку семян по всему слою. С этой целью были построены АЧХ и ФЧХ зерновых слоев (рис. 5). Из анализа ФЧХ следует, что при периоде колебаний 2,1 ч запаздывание для выходных слоев составляет 14 мин или 0,23ч (0,69 рад.). Это означает, что выходные слои зерна достигнут своей максимальной/минимальной температуры через 14 минут после входных слоев.

Увеличив полупериод колебаний на 14 минут, получим полупериод tоб = 1,3 ч. и полный период t = 2,6 ч.

Экспериментально установлено, что максимальный эффект от обработки достигается при Тв = 1,5 з.исх.. При обработке толстого слоя зерна указан ной температуры воздуха будет недостаточно, чтобы выходные слои зерна прогрелись до необходимой температуры.

Амплитуда,от.ед.

0, -0,1 0 2,5 5 10 15 20 25 0,85 12 3 45 -0, 1-0,01м 2-0,23 м 0, 1 2 3 4 5 3-0,47 м 4-0,71 м -0, 0, 1-0,01 м 2 -0,23 м Фаза, град.

5-0,92 м 6-1,2 м -0, 0, 3- 0,47 м 4- 0,71 м 5- 0,92 м 6- 1,2 м 0, -0, 0, -1, 0, -1, 0, 0,05 -1, 0 2,5 5 10 15 20 25 30 Угловая частота, рад Угловая частота, рад а) АЧХ б) ФЧХ Рис. 5 - АЧХ и ФЧХ слоев зернового слоя по температуре Чтобы определить температуру воздуха на входе в зерновой слой, необ ходимую для максимального увеличения посевных качеств семян по всему слою зерна, воспользовались уравнением регрессии для всхожести и графи ками АЧХ. Разделили зерновой слой на 6 более тонких слоев и получили вы ражение для определения средней всхожести зернового слоя:

172,52 Tв з.исх 49,18 Tв Вср = 141,615 +.

2з.исх Для определения оптимальной температуры воздуха на входе в зерновой слой, обеспечивающей максимальную всхожесть по слою, продифференци руем полученное выражение средней всхожести по переменной Tв :

172,52 з.исх 98,35 Tв Вср / T =.

2з.исх в Приравняв производную к нулю, получаем Tв = 1,8. з.исх.

Таким образом, в соответствии с принципом максимума информации, способ воздушно-тепловой предпосевной обработки семян в бункерах ак тивного вентилирования заключается в следующем: вентилятор работает непрерывно в течение 5,2 ч.;

электрокалорифер включается/выключается с периодом 1,3 ч.;

электрокалорифер подогревает воздух до температуры, равной 1,8 з.исх.

Электрокалориферная установка бункера активного вентилирования по зволяет нагреть воздух не более чем на 10 0С. То есть (1,8. з.исх. з.исх)=100С. Поэтому предельно максимальной величиной исходной темпе ратуры зерна будет 12,50С. При более высокой исходной температуре зерна семена улучшат свои посевные качества, но эффект не будет максимальным.

В работе выполнен расчет и получены графики среднего увеличения всхожести семян при различных сочетаниях исходной температуры зерна и температуры атмосферного воздуха для бункеров активного вентилирования типа К-878 и БВ-25.

Предложенные принципы повышения посевных качеств предполагают положительный эффект при любом виде воздействия. Это эксперименталь но подтверждено при воздушно-тепловой обработке семян. Реализация дан ных принципов с использованием электротехнологии проверена на примене нии электроактивированного воздуха.

Использование электроактивированного воздуха для предпосевной обра ботки семян. Для определения технологических режимов предпосевной обработки семян ЭАВ были проведены модельный и ряд полевых экспери ментов.

В соответствии с принципом максимума информации, целью модельного эксперимента являлось выяснение следующих вопросов: количественное оп ределение минимальной дозы воздействия на семена, при которой проявля ется эффект от обработки семян ЭАВ;

проявляется ли положительный эф фект при обработке семян не только аэроионами отрицательной, но и аэро ионами положительной полярности ЭАВ;

каким образом скорость воздушно го потока влияет на процесс предпосевной обработки семян ЭАВ.

Для эксперимента использовались суперэлитные семена ячменя сорта "Виконт" с высокими посевными качествами (Э 90%, лаб. В 95%, полев. В = 80 - 90%), с начальной влажностью 14%.

Для прохождения адаптационных реакций на низких уровнях температура воздуха Тв равнялась начальной температуре зерна и составляла 19 - 21°С.

Относительная влажность воздуха составляла 60 - 65%, что при данной тем пературе соответствовало равновесной влажности зерна 13,5 - 14%.

Диапазон скоростей воздуха 0,2 - 0,8 м/с был разбит на 3 уровня варьиро вания с интервалом 0,3 м/с (0,2;

0,5 и 0,8 м/с).

Газовый состав воздуха, при фиксированных геометрических параметрах электроактиватора, зависит от величины напряжения U на электродах элек троактиватора. Т.к. при увеличении питающего напряжения до 9 кВ корон ный разряд переходит в искровой, а при 7 кВ в коронно-разрядном проме жутке начинаются интенсивные процессы с выделением озона, то диапазон варьирования был принят от 1 до 6 кВ и разбит на 4 уровня с интервалом 1, кВ.

Исследовалась зависимость посевных качеств семян также и от полярно сти напряжения (т.е. от полярности аэроионов). Поэтому на коронирующий электрод электроактиватора подавался либо положительный, либо отрица тельный потенциал.

Так как время предпосевной обработки семян должно быть порядка не скольких часов, то диапазон варьирования по времени tобр был принят от 1 до 4 часов и разделен на 4 уровня с интервалом в 1 час.

Для проведения лабораторного эксперимента принимали время отлежки равное до двух суток.

Результаты экспериментов показали, что при положительной полярности аэроионов семена откликаются даже на минимальные воздействия интенсив ностью I = 50 мкА (при концентрации аэроионов Q = 16 х103 см-3) уже через 2 - 2,5 часа. Наилучшая доза при этом составляет 90 - 140 мкА·ч (30 - 35 см ·ч). При отрицательной полярности ЭАВ положительный эффект чередуется с отрицательным. Минимальная доза воздействия, на которую семя отклика ется положительно, находится в интервале 100 - 120 мкА·ч (34 - 36 см-3·ч) при интенсивности воздействия I = 60 мкА, Q = 18х103 см-3 и времени воз действия около 2 часов. При прорастании семян, достижении растениями фа зы кущения проводился зеленый анализ растений. Отмечается статистически значимое увеличение кустистости растений, количества вторичных корней и как следствие, массы растений при обработке ЭАВ положительной полярно сти. Увеличение этих параметров при обработке ЭАВ отрицательной поляр ности незначительно и находится в пределах ошибки опыта.

Изменение скорости воздуха не вносит значительных корректировок в картину ответа семян на воздействие ЭАВ.

Полевые эксперименты по совершенствованию технологических режимов предпосевной обработки проводились в 2000-2001 годах на эксперименталь ных делянках учебно-опытного фермерского хозяйства АЧГАА. В качестве посевного материала использовались элитные и суперэлитные семена ярово го ячменя сорта "Виконт" и озимого ячменя сорта "Добрыня".

Для проведения опыта были приняты циклические режимы, которые в ре зультате дали наибольшую прибавку урожая. Более значительный эффект получен при очередной обработке семян положительными и отрицательными аэроионами при соответствующих концентрациях 24 и 28·103 ед/см3. Прибав ка урожая составила 4 ц/га.

Таким образом, экспериментально подтверждена правомочность и эффек тивность использования принципа максимума информации для разработки технологий предпосевной обработки семян.

К построению моделей биологических объектов. Проведенные теоретиче ские и экспериментальные исследования позволяют говорить, что примене ние принципа максимума информации к описанию поведения зерновки в процессе предпосевной обработки дает достаточно полную картину цели и направления реакций семян. По сути, мы получаем алгоритм функциониро вания биологического объекта «зерновка» при внешних воздействиях. По этому желательно иметь математическую модель биологического объекта, позволяющую: подбирать те виды воздействия, которые будут приносить больший технологический эффект;

прогнозировать поведение объекта, изме нение его технологических свойств;

управлять необходимым изменением свойств объекта.

В качестве алгоритма функционирования биологической модели целесо образно принять алгоритм адаптивного случайного поиска. При данном ал горитме на верхнем иерархическом уровне, при поступлении внешнего воз действия, случайным образом, но в диапазоне, обусловленном генетической информацией, задаются настройки (уставки) верхних критериев оптимально сти для нижних уровней. После этого определяются величины целевых функций по каждому уровню, сравниваются с результатами предыдущего шага и заданным значением, и, в зависимости от результата сравнения, при нимается решение об изменении настройки величин критериев оптимально сти.

На примере зерновки предложена функциональная схема модели (с тремя уровнями управления) биологического объекта (рис.6). Модель нами пред ложена как дальнейшее направление исследований, но еще требует уточне ния параметров.

Рис.6 – Примерная функциональная схема модели (с тремя уровнями управления) биологического объекта Где Квх1, Квх2, Квх3 – передаточные функции воспринимающих органов на 1-м, 2-м и 3-м уровнях соответственно;

К1П, К2П, К3П – передаточные функции преобразователей-усилителей;

К1.2, К1.3, К2.1, К2.3, К3.2, К3.1 – передаточные функции преобразователей усилителей по каналам обратной связи между системами различных уровней;

К1.1, К2.2, К3.3 – передаточные функции преобразователей-усилителей по каналам внутренних обратных связей;

рb К *а - передаточная функция исполнительного органа 1 1 *l l Т р + T р + 2 2 и объекта регулирования, элементов биологической системы, непосредственно уча ствующих в выработке регулирующих сигналов и управляемых величин в зависи мости от вида и уровня воздействия;

НЭ1 – нелинейный элемент с зоной нечувствительности в канале управления;

НЭос – нелинейный элемент с зоной нечувствительности в цепи обратной связи.

Следует отметить, что на каждом из уровней параллельно функциониру ют целые ансамбли единых управляющих систем. То есть предлагаемая структурная схема является обобщенной, отражает только принцип построе ния управления по уровням.

На каждом иерархическом уровне входная информация поступает от ие рархически старших управляющих систем, от параллельно действующих элементарных управляющих систем, по обратным связям от иерархически младших элементарных управляющих систем.

Материальными носителями такой информации являются входные сигна лы, имеющие самую разнообразную химическую, физическую и механиче скую природу.

Чтобы на входы элементов сравнения поступали сравнимые сигналы, в модели используют усилители-преобразователи. Коэффициент усиления по каждому входу определяет его значимость (вес) и не является величиной по стоянной. Прохождение сигнала по какому-то из входов облегчает прохож дение сигнала по этому входу, т.е. приводит к увеличению его значимости (увеличению коэффициента усиления).

Предлагаемая модель носит концептуальный характер, но с использова нием экспериментальных данных биологов может быть представлена кон кретными передаточными коэффициентами и постоянными времени и ис пользована для моделирования реального поведения зерновки.

В шестой главе приводится методика проведения экспериментальных исследований по использованию измерителя равновесной влажности для контроля за процессом сушки зерна по СВЧ интенсификации сушки зерна, предпосевной обработке зерна. Обработка результатов экспериментов.

Для проверки использования средства оценки равновесной влажности для контроля процесса активного вентилирования проводили полнофактор ный эксперимент по трехуровневому плану Бокса-Бенкина. Варьируемыми параметрами были: влажность зерна Wз;

относительная влажность воздуха F;

толщина зернового слоя l.

Экспериментальные исследования проводились с целью: оценить по грешность контроля процесса активного вентилирования семян по выходным параметрам агента сушки;

оценить влияние отдельных факторов на точность контроля и определить оптимальные зоны их изменения.

В результате обработки экспериментальных данных получено уравнение регрессии, показывающее влияние указанных факторов на абсолютную точ ность контроля влажности зерна. В закодированной форме оно имеет сле дующий вид:

W = 2,60 0,138W 0,775l 0,138F 0,05Wl 0,05lF 0,025WF + 1,038W 2 + 1,7l 2 + 0,981F 2.

По результатам эксперимента установлено, что контролируя протекание процесса активного вентилирования по выходным параметрам агента сушки (температуре и влажности), с достаточной точностью можно судить об изме нении влажности семян в граничном слое толщиной 10…15 см. Это положе ние полностью согласуется с теоретическими предпосылками, выполненны ми при оценке информативности процесса активного вентилирования и по лученными при машинном моделировании.

Для проверки эффективности циклического метода интенсификации сушки зерна активным вентилированием проводили эксперимент на бункерах типа БB-25.

В два бункера засыпали зерно с исходной влажностью 17%. В контроль ном бункере вентилирование и контроль над протеканием процесса осущест вляли традиционным методом: подача воздуха оставалась постоянной, при повышении относительной влажности воздуха выше 70% подключались сек ции калорифера, длительность сушки составила 286 часов с неравномерно стью влажности семян по слою 2,6%.

Во втором бункере управление процессом активного вентилирования проводили по предложенному способу.

Результаты эксперимента показали уменьшение времени сушки, по срав нению с контрольным бункером, в 1,8 раза. Неравномерность сушки по тол щине слоя составила 1,9%, по высоте бункера до 1,5%.

Эксперимент по определению возможности использования термопар в поле СВЧ. Чтобы управлять процессом СВЧ активации зерна, не обходимо контролировать температуру его нагрева, что для поля СВЧ про блематично. Поэтому целью эксперимента было: установить возможность использовать хромель-копелевые термопары в СВЧ поле (в полностью за груженной продуктом активной зоне) для измерения температуры зерна;

оценить погрешность влияния разогрева самой термопары на показания при измерении температуры зерна;

сравнить результаты измерений температуры зерна с помощью хромель-копелевых термопар в СВЧ поле и конвективном нагреве. В результате проведения эксперимента получены следующие гра фические зависимости (рис. 7).

Рис. 7 – Гра фики изменения температуры в цен тре и на поверхно сти зерновки пше ницы при СВЧ воз действии для Wз=20% Анализируя результаты эксперимента, можно сделать следующие выво ды: допустимо использовать хромель-копелевые тонкие термопары для из мерения величины температуры внутри зерновок с.х. культур и в зерновом слое полностью заполненных СВЧ камер;

использование термопар в СВЧ камерах для контроля температуры внутри зерновок позволяет получать кос венные данные об изменении влажности и диэлектрической проницаемости частей зерновок.

Эксперимент по определению распределения температурных полей в СВЧ активной зоне при неподвижном слое зерна.

Эффективность СВЧ активации зависит от конструкции активной зоны.

Чтобы её разработать, необходимо знать, как для конкретного типа магне тронов происходит нагрев по всей зоне. Поэтому целью эксперимента было определение распределения температурных полей в активной зоне. Это по зволит рассчитать ее конструкцию и конфигурацию, количество магнетро нов, схему их размещения.

Эксперимент состоял из двух этапов. Целью первого этапа было опреде ление температурных полей от одного магнетрона в активной зоне при не подвижном слое зерна.

Целью второго этапа эксперимента было определение влияния циклично сти (повторности) СВЧ нагрева на динамику нагрева зерна в зависимости от исходной влажности зерна и от расположения его в активной зоне. Кроме этого необходимо было установить, как будет влиять на динамику нагрева перемешивание зерна при движении его через активную зону.

Для проведения этого эксперимента использовали зерно трех влажностей:

17%, 22%, 27%. Выбор таких значений влажности обусловлен тем, что по зволяет охватить практически весь диапазон влажностей зерна при поступ лении его на сушку. Интервал изменения влажности зерна в 5% позволит вы явить влияние влажности на динамику нагрева зерна в активной СВЧ зоне.

Контроль температуры зерна осуществляли по объему активной зоны.

Обработку результатов эксперимента проводили с использованием програм мы MATLAB в прикладном пакете Statistics Toolbox. Использовали модель, включающую квадратичные эффекты и эффекты взаимодействия факторов.

В результате получен полином следующего вида:

= 0 131,4 + 13,447 W 0,281 + 2,478 l + 0,0793 + 0,375 + + 0,175 W 0,241 W l 1,719 1017 W 0,00156 W 0,208 l + + 3,451017 0,000774 8,4681019 9,8561017 l + + 0,000557 l 0,245W 2 + 0 0272 2 + 0,1127 l 2 0,000441 2 0,00222 2.

Где – угол расположения термопары от оси магнетрона по вертикали;

угол расположения термопары от оси магнетрона по горизонтали;

l - крат чайшее расстояние до магнетрона.

Для более наглядного представления распределения температур на ри сунке 10 представлены объемный и контурный графики.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.