автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Исследование процессов массо- и теплопереноса в различных средах под воздействием микроволнового излучения и разработка энергосберегающих микроволновых технологий и установок промышленного применения

На правах рукописи

Розанов Сергей Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МАССО- И ТЕПЛОПЕРЕНОСА В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ МИКРОВОЛНОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И УСТАНОВОК ПРОМЫШЛЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ

Специальность: 05.09.10 - Элекгротехнология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2004

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете "ЛЭТИ" им. В.И.Ульянова (Ленина)

Научный руководитель -

кандидат технических наук, доцент Иванов В.А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Васильев А.С. кандидат технических наук Петров Е.Т.

Ведущая организация - Федеральное государственное унитарное предприятие ВНИИТВЧ им. В.П. Вологдина

Защита диссертации состоится « 2004 года в часов на

заседании диссертационного совета IX 212.238.05 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, С.-Петербург, ул. проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан 2004 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Дзлиев С В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Начало развития технологий, базирующихся на эффектах воздействия микроволнового излучения на- различные вещества, относится к 1946 г, когда в условиях конверсии послевоенной радиотехнической промышленности в США были разработаны и выпущены на рынок первые бытовые микроволновые печи. В России работы в этой области, в- частности по исследованию нетеплового воздействия микроволнового излучения микроволнового излучения на биологические объекты, были начаты в середине 60-х гг. Однако вплоть до последнего времени отдельные малочисленные проекты по разработке микроволновых технологий для гражданского применения не были приоритетными для отечественной промышленности, ориентированной в основном на решение задач военно-промышленного комплекса.

Внедрение микроволновых технологий в практику сдерживалось, во-первых, отсутствием моделей процессов, протекающих при воздействии микроволнового излучения на различные вещества, следствием чего было отсутствие алгоритмов и автоматизированных систем управления, технологическим процессом, во-вторых, отсутствием методики проектирования микроволновых технологических установок, С появлением дешевых источников микроволнового излучения - магнетронов и разработкой моделей микроволновых технологических процессов микроволновые технологии находят применение в таких приоритетных отраслях народного хозяйства, как пищевая, медицинская, фармацевтическая, целлюлозно-бумажная, в промышленности строительных материалов, в сельском хозяйстве, в горном деле и др. Появляются новые перспективные направления применения микроволновых технологий, в частности, по исследованию химического состава пищевых продуктов с целью определения содержания в них тяжелых металлов, в области микроволнового химического синтеза лекарственных средств широкого применения и их соединений, а так же в экологии — для очистки грунта от промышленных отходов. По результатам-8-ой Международной конференции по микроволновому и высокочастотному нагреву (8th International Conference on Microwave and High Frequency Heating, Bayreuth, Germany, 2001г.) годовой рынок микроволновых технологических установок оценивается в более чем 500 миллионов долларов США.

Большую часть рынка применения микроволновых технологий составляют технологии, основанные на микроволновом нагреве, такие как нагрев, размораживание, обезвоживание. По сравнению с известными способами обезвоживания, основанными на нагреве продукта за счет конвекции, ик-излучения и т.п., процессы с применением микроволновой энергии обладают целым рядом принципиальных преимуществ:

1. Энергосбережение (микроволновый нагрев имеет высокий к.п.д. - не менее 70%, а также возможность использования вторичного тепла для сушки, тем самым, повышая общий к.п.д. процесса обезвоживания).

2. Температурный градиент направлен к поверхности, и таким образом температура внутри вещества больше, чем на поверхности, что создает

IPOC НАЦИОНАЛЬНА*

библиотека

t

внутреннее избыточное давление и позволяет ускорить процесс обезвоживания.

3. Внешние слои не иссушаются полностью, поверхность - остается влагопроницаемой.

4. Нагрев воды< и- органического продукта происходит выборочно - он обусловлен большими,диэлектрическими потерями воды по сравнению с высушиваемым продуктом.

5. Возможность сушки продуктов с низкой температурной проводимостью. -

6. Низкая инерционность нагрева и малое, точно прогнозируемое время технологического процесса позволяют создавать автоматизированные технологические комплексы.

7. Экологичность. процесса, заключающаяся в возможности утилизации всех продуктов технологического процесса.

8. Возможность обезвоживания веществ, окисляющихся при обычных способах сушки.

Из изложенного следует, что исследование, разработка и внедрение микроволновы технологий и, в частности, микроволнового обезвоживания безусловно актуально. Масштабы исследований и объемы финансирования разработок, связанных с гражданским применением микроволн, в последние годы, как в России так и за рубежом, непрерывно возрастают. Но разработка новых микроволновых технологий невозможна без построения модели процессов, протекающих при микроволновом обезвоживании, и построения принципов проектирования микроволновых промышленных установок.

Цели диссертационной работы;

1. Исследование возможности применения технологии микроволнового вакуумного низкотемпературного обезвоживания широкого класса сред с различными исходными характеристиками.

2. Разработка принципов проектирования микроволновых технологических установок на основе распределенного способа возбуждения рабочей микроволновой камеры от нескольких источников излучения.

3. Разработка и внедрение промышленных технологических установок широкого применения с автоматизированным управлением технологическим режимом на основе микропроцессора.

Для ч достижения поставленных целей потребовалось решить следующие задачи:

- экспериментальное исследование и построение математической модели процесса массо- и теплопереноса в различных средах под воздействием микроволнового излучения;

- исследование и разработка устройств распределенного возбуждения рабочей камеры от нескольких источников микроволнового излучения;

- исследование и оптимизация влияния основных параметров технологического процесса, обеспечивающих заданное качество конечного продукта при

' сохранении его основных органолептических и полезных свойств;

- разработка методов контроля и управления параметрами технологического процесса для обеспечения требуемого качества продукта;

- разработка алгоритма управления технологическим режимом процесса микроволнового обезвоживания и реализация его на базе микроконтроллера.

Методы исследования

При выполнении работы были использованы теоретические и экспериментальные методы исследований. Оценка точности разработанных моделей, алгоритмов и программ компьютерного моделирования процесса обезвоживания различных веществ проводилась путем сравнения с результатами экспериментальных исследований.

Новые научные результаты и новые научные положения, выносимые на

защиту

Научные результаты

1. Впервые на основе предложенных способов распределенного возбуждения рабочей камеры предложены конструкции промышленных микроволновых технологических установок, обеспечивающих эффективное сложение мощностей от нескольких источников микроволнового излучения.

2. На основе предложенных методов контроля и управления параметрами технологического процесса предложен и реализован алгоритм автоматизированного управления процессом микроволнового вакуумного низкотемпературного обезвоживания.

3. Экспериментально показано, что для исключения перегрева продукта, приводящего к нарушению его химического состава (ухудшению его полезных биологических свойств) необходимо контролировать такой параметр технологического процесса, как удельная мощность, который рассчитывается как отношение суммарной микроволновой мощности от нескольких источников микроволнового излучения к массе оставшейся в продукте влаги, а не к общей массе продукта. Числовое значение этого параметра зависит от начальных свойств продукта.

4. Построена простая математическая модель процесса обезвоживания, анализ которой позволил прогнозировать степень уменьшения массы при заданном уровне мощности и начальной влажности, и тем самым исключить ее из числа параметров, контролируемых в течение процесса обезвоживания.

5. Экспериментально доказано, что разработанная математическая модель описывает обезвоживание продуктов с начальной влажностью до 80% с достаточной для практики точностью.

6. Экспериментально показано, что при микроволновом вакуумном обезвоживании до 95% испаренной влаги может быть утилизировано в виде бесцветного дистиллята с запахом продукта,

7. Показано, что для устранения взрывного характера кипения, приводящего к нарушению формы продукта, необходимо и достаточно изменять давление со скоростью 0,25-0,5 мм.рт.ст. в минуту. Это может быть достигнуто за счет управления температурой рабочей жидкости (воды) вакуумного насоса.

8. Разработаны и внедрены в различные отрасли народного хозяйства эффективные микроволновые технологические установки, обеспечивающие высокое качество

готового продукта и реализующие главные преимущества микроволновых технологий, такие как энергосбережение и экологическая чистота.

Научные положения

1. Процесс обезвоживания на стадии удаления связанной влаги в микроволновых вакуумных установках необходимо вести по критерию допустимой удельной мощности, рассчитываемой как отношение микроволновой мощности к массе оставшейся в продукте влаги. Данный параметр для большинства сельскохозяйственных продуктов составляет 0.75-1.5 кВт/кг.

2. Ускоренный процесс обезвоживания продуктов с высокой начальной влажностью (выше 85%) объясняется эффектом бародиффузии.

Практическая ценность диссертации

Практическая ценность полученных результатов заключается в том, что их реализация позволила создавать промышленные микроволновые установки с мощностью микроволновых источников 5-25 кВт и производительностью до 250 кг в час, обеспечивающие обезвоживание широкого класса продуктов и веществ.

Часть результатов диссертационной работы использовались в рамках проводившихся на кафедре радиотехнической электроники СП6ТЭТУ «ЛЭТИ» хоздоговорных НИР: «Разработка микроволновых технологических установок и исследование процессов влаго- и теплопереноса в них» (1999-2000 гг.) и «Разработка программы повышения эффективности переработки и хранения сельскохозяйственного сырья в системе продовольственной безопасности населения Санкт-Петербурга на основе комплексного использования перспективных технологий обезвоживания для получения высококачественны пищевых продуктов нового поколения» (2002 г.).

Промышленные технологические установки серии «Муссон» были внедрены в мелкосерийное производство в ООО «Ингредиент» в 2000 г., где и производятся по настоящее время.

Разработанные установки прошли успешные испытания на соответствие требованиям шума, микроволновой и электрической безопасности, времени технологического процесса, качества продукции, что подтверждено результатами испытаний с привлечением специалистов Северо-Западной Государственной машиноиспытательной станции.

Разработанные микроволновые технологические установки внедрены в различные области народного хозяйства и успешно работают в городах Санкт-Петербурге, Москве, Петропавловске-Камчатском, Белгороде, в Красноярском крае и др. регионах Российской Федерации.

Апробация работы. Основные положения диссертационного исследования и результаты, полученные в процессе работы над темой, были доложены и одобрены на следующих научных конференциях:

1. Международной научно-технической конференции «Ресурсосберегающие технологии пищевых производств» в Санкт-Петербурге в 1998 г.

2. 8th International Conference on Microwave and Hi£h Frequency Heating in Bayreuth, Germany, 2001.

Разработанные установки неоднократно представлялись на выставках «Российский Фермер» в 1998-2002 гг. и имеют ряд наград и дипломов.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 печатные работы, из них - одна статья и тезисы к двум докладам на Международных Научно-Технических конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 63 наименования, и двух приложений. Основная часть работы изложена на 126 страницах машинописного текста. Работа содержит 59 рисунков и 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении проанализирована актуальность направления микроволнового вакуумного обезвоживания, описаны основные достоинства данной технологии.

Первая глава посвящена обзору литературных данных по проблеме микроволновых технологий.

Для систематизации информации по различным микроволновым устройствам в начале обзора литературы рассмотрена обобщенная схема микроволновой технологической установки (рис. 1.). На рис. 1. представлен один из возможных вариантов.

Основным элементом данной системы является микроволновая камера или реактор. Внутри него создается микроволновое поле одним или несколькими источниками излучения. Чаще всего в качестве источников микроволнового излучения используются магнетроны. Они подключаются к микроволновой камере через адаптеры, которые служат элементами согласования и определяют распределение электромагнитного поля внутри камеры. Продукт размещается чаще всего на диэлектрических поддонах или в диэлектрическом барабане, который может вращаться с частотой ю^ для обеспечения равномерного нагрева продукта.

В установках вакуумного обезвоживания имеется вакуумный насос, подсоединенный через соответствующий трубопровод. Иногда в вакуумную систему включают теплообменник и конденсатор, которые позволяют конденсировать пары воды. Микроволновый реактор снабжен системой датчиков: датчик температуры, датчик давления, датчик веса. Информация от датчиков поступает на микропроцессорный блок управления, который вырабатывает управляющие сигналы на элементы установки.

Конкретное исполнение установки может быть различным, но в целом должны присутствовать все основные элементы.

Введем обозначения параметров такой системы:

продукт, который подвергается воздействию микроволновой энергии характеризуется следующими параметрами: - масса и

теплоемкость сухого продукта, - масса воды, содержащейся в

продукте, - влажность продукта;

+ тН&

интенсивность микроволнового нагрева характеризуется суммарной величиной микроволновой мощно!?, ПОа е м о й в камеру от

источников микроволновой энергии Р^гРцг — Р,,^, а так же величиной удельной мощности, приходящейся на 1 кг продукта в целом, или на 1 кг веса оставшейся в продукте воды;

Блоквспомогательного оборудования

Рис. 1. Обобщенная схема микроволновой технологической установки.

- давление в камере характеризуется парциальными давлениями паров воды Рнр и воздуха Р^;

- скорость откачки паро-воздушной смеси вакуумной системой, которая характеризует скорость откачки вакуумного насоса, а также сопротивление трубопроводов, подключенных к вакуумной камере; - количество воды, сконденсировавшейся в теплообменнике. Сложность анализа процессов, происходящих в микроволновом реакторе, состоит в том, что многие из параметров тесно взаимосвязаны друг с другом. Например, теплоемкость и теплопроводность зависят от температуры, а температура зависит от микроволновой мощности и давления. Давление в камере зависит от скорости откачки, а так же от скорости испарения влаги, которое в свою очередь зависит от теплофизических параметров вещества.

Из сложности анализа процессов вытекают сложность управления микроволновыми технологическими установками, а так же сложности в проектировании и технической реализации подобных систем.

Анализ * литературных источников по микроволновой»вакуумной технике разделен на три части:

- анализ материалов, посвященных теоретическим исследованиям,

- анализ конструктивных особенностей существующих технологических установок,

анализ литературных источников, посвященных автоматизации технологических процессов обработки материалов микроволновой энергией.

Анализ известных литературных источников позволил сделать следующие выводы:

- малое количество публикаций, содержащих математические и физические модели процессов тепло- и массопереноса при микроволновом вакуумном обезвоживании, что не позволяет целенаправленно разрабатывать технологические процессы для различных типов веществ и продуктов. В известных публикациях все физические и математические модели жестко привязаны к одному определенному продукту и установке, и использовать такие методики для других продуктов и других типов установок не представляется возможным;

- внедрение микроволновых технологий в практику сдерживается, во-первых, отсутствием полностью автоматизированной системы управления, т.к. не существует алгоритма процесса обезвоживания, во-вторых, отсутствием методики проектирования микроволновых технологических установок.

Решению перечисленных задач и посвящена настоящая диссертационная, работа.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию процессов тепло- и массопереноса в условиях микроволнового вакуумного обезвоживания.

Как было отмечено в обзоре литературы, потенциальные возможности микроволнового вакуумного обезвоживания, известные исследователям еще с 60-х годов, только в последние годы начинают получать коммерческую реализацию. Это связано как с созданием дешевых микроволновых генераторов и разработкой микропроцессорных систем управления технологическим процессом, так и результатами работ по исследованию процессов,тепло и массопереноса. Однако, необходимость повышения эффективности микроволнового обезвоживания широкого класса материалов, подвергаемых воздействию микроволновой энергии и сложность физических процессов, происходящих при микроволновом вакуумном обезвоживании, заставляет исследователей продолжить работы в этом направлении.

Процесс микроволнового обезвоживания продуктов растительного происхождения должен учитывать наличие в них свободной, связанной и химически связанной влаги. Свободная вода сосредоточена в капиллярах и межклеточном пространстве. По массе она составляет до 60-70% всей влаги и обычно полностью удаляется в процессе сушки. Процесс ее. испарения мало отличается от процесса испарения со свободной поверхности. В свою очередь, испарение связанной влаги, сосредоточенной в клетках и вакуолях, существенно отличается от испарения свободной влаги и очень критично к плотности потока микроволновой мощности. При этом большое значение имеют конкретные свойства материала, такие как теплопроводность, теплоемкость, коэффициенты термовлагодиффузии и т.п.

Рис. 2. Типовая зависимость массы продукта от времени при обезвоживании. I-нагрев, II- период постоянной скорости испарения, III- испарение связанной влаги.

Интегрально процесс обезвоживания, достаточно полно характеризуется кривой сушки, представляющей зависимость веса продукта от времени t (рис 2.). На кривой обычно выделяют три участка: I - нагрев продукта, II -

испарение преимущественно свободной влаги, III — испарение связанной (клеточной) влаги. Важным фактором, влияющим на конкретный вид кривой /яЕ(/) является, прежде всего, величина и характер изменения подводимой мощности По зависимостям- удобно изучать влияние различных факторов на процесс

обезвоживания.

Для полноты исследования были проведены опыты с использованием водяной балластной нагрузки при разной мощности в микроволновой камере Ря 600, 480, 360, 240 и 180 Вт. Эти данные для одного из продуктов (лука) представлены на рис. 3.

а б

Рис. 3. Зависимость массы продукта (лука) от времени: при различной микроволновой мощности (а), сравнение экспериментальных данных и расчета для -варианта уровня мощности 360 Вт (б).

Проведем анализ полученных данных на основе простейшей математической модели. В условиях микроволнового вакуумного обезвоживания уравнение

Проведем анализ полученных данных на основе простейшей математической модели. В условиях микроволнового вакуумного обезвоживания уравнение теплового баланса может быть записано без слагаемых, соответствующих лучистому и конвективному теплообмену:

р.-Л^с^т^аг^ (1)

где - микроволновая мощность, подводимая к продукту;

ргЫ*

"рш!

теплоемкость и масса сухого продукта; сГГ^ - нагрев продукта; Сн>0 - теплоемкость воды; - масса оставшейся воды в продукте; - нагрев воды; г

удельная теплота испарения воды; масса испаренной воды за время

Из уравнения (1) видно, что микроволновая мощность идет на нагрев продукта и воды в продукте и на испарение воды из продукта.

Для участка I (рис. 2), где происходит преимущественно нагрев:

Р.-Л^т^ОГ, (2)

где - эффективная теплоемкость влажного продукта в

начале процесса обезвоживания при условии равенства температуры продукта и содержащейся в нем воды.

На участке П, когда скорость испарения постоянна, первым и вторым членами уравнения (1) можно пренебречь, т.к.

После интегрирования получаем:

а .

(4)

где - начальная масса продукта; - время начала испарения воды из продукта (см. рис. 2.).

Для аппроксимации зависимости на Ш участке рассмотрим процесс

испарения связанной воды из клеток и вакуолей продукта. Предположим, что процесс обезвоживания происходит при постоянном объеме шарообразной клетки радиуса Это постоянство объема может обеспечить клеточная мембрана толщиной В этом случае плотность потока воды выходящей из клетки, зависит от проницаемости мембраны и может быть записана по закону Фика как:

(5)

где - концентрация воды в клетке, - коэффициент диффузии воды через

мембрану при температуре Для определения полного потока влаги, следует помножить левую и правую части уравнения (5) на площадь поверхности клетки . При этом получим:

аг

Вода, диффундирующая сквозь мембрану, превращается в пар, плотность которого более чем в 1000 раз меньше плотности воды, т.е. вне клетки можно

принять - толщина мембраны.

Помножим и разделим правую часть (6) уравнения на Зг0, проинтегрируем уравнение по всей поверхности мембраны и получим зависимость полной массы продукта от времени:

(7)

ДоГ»

где характерное время убыли влаги из клетки при заданной температуре

ЪЩГ)

Т, - масса сухого продукта, «,, ^ - координаты начала участка Ш. Используя такое приближение, были аппроксимированы кривые сушки для лука при различных уровнях мощностях (см. рис. 3.). Так как прямой расчет величин Д„, г0 и затруднен, величина определялась из условия минимального

среднеквадратичного расхождения экспериментальных и расчетных данных в одной из точек участка Ш. В результате для каждой кривой была определена соответствующая величина г. Среднеквадратичное расхождение экспериментальных и расчетных кривых не превышало 3-5 % во всем диапазоне измерений (рис.2.б). Наличие на экспериментальных зависимостях линейного участка II свидетельствует о постоянстве адсорбируемой мощности Ря.

Одним из важнейших факторов является удельная мощность на единицу массы продукта Полученные аналитические зависимости позволили

легко определить удельную плотность мощности

Наиболее интересный результат был получен при расчете мощности отнесенной не к полной массе продукта, а к массе оставшейся в продукте воды (рис. 4.). На этом рисунке представлены соответствующие величины

Рис. 4. Зависимость отношения мощности испарения к массе оставшейся в продукте влаги при различных уровнях мощности.

Экспериментально установлено, что для случаев 3,4 и 5 не наблюдалось перегрева продукта.

Учитывая тот факт, что в соответствии с уравнением (7) скорость испарения на Ш-м участке экспоненциально падает, следует сделать вывод, что и поглощаемая продуктом (скорее водой в нем) микроволновая мощность также падает. Это возможно вследствие наличия балластной нагрузки в системе. С другой стороны наличие участка с постоянной величиной говорит о возможности получения постоянства температуры продукта и на участке III, если соответствующим образом менять подводимую мощность без использования балластной нагрузки. Из графиков следует, что при переходе к участку III, удельную мощность следует поддерживать постоянной, не превышая некоторый характерный для данного продукта предел. Установлено, что для лука эта величина составила ~ ЗВт/г.

Логическим продолжением работы было применение полученной модели для разработки алгоритма управления процессом в промышленной микроволновой вакуумной установке (МВУ) «Муссон». Данный алгоритм был заложен в программу управления установкой, а на его основе для персонального компьютера была написана программа DrySimulator. Эксперименты по обезвоживанию различных продуктов в МВУ «Муссон» дали хорошее соответствие экспериментальных и расчетных данных (рис. 5.).

5500-

—Экспе э-Расч« рииент т

Чо\

\\

N

1500-

О 500 1000 1500 2000 2500 3000

Время, с

Рис. 5. Экспериментальные и расчетные данные процесса обезвоживания продукта (капуста).

Обобщение результатов, полученных в ходе экспериментальных исследований' и промышленных испытаний, позволило разработать уточненную модель процессов тепло- и массопереноса при микроволновом вакуумном обезвоживании.

Полученная математическая модель представляет собой систему нормированных дифференциальных уравнений непрерывности (8) и теплопроводности (10) с граничными условиями (9) и (11).

(9)

где р} - нормированная плотность свободной влаги, г„ - время диффузии влаги на глубину проникновения микроволновой энергии, Р<\ - коэффициент прилипания пара к поверхности, Г<1 - коэффициент, характеризующий движение пара вдоль поверхности, - предельное давление вакуумной системы, р5 давление на поверхности, - температура на поверхности, - температура соответствующая <У0 - глубина проникно у„е5Р-и'«&дг - разность между потоками испарения и конденсации.

1 п -

(10) (И)

где - нормированная температура, - эффективная теплопроводность, - плотность объемных источников, - длина образца, р^ - суммарная плотность влаги в продукте.

Проведен анализ частных случаев: 1. Анализ температуры поверхности вакуоли на III участке кривой сушки позволил найти выражения для расчета температуры внутри вакуоли (12) и на ее поверхности (13).

¿Гьпи _ 1

Л

Р ~ г

~нр

где

1яЫ1

Л Рьй е Лт(Г)

- температура внутри клетки, - теплоемкость воды,

(12)

(13)

мощность микроволнового излучения,

масса связанной влаги в

начальный момент времени,

г_ ¿Я

ЪЩГ)'

удельная теплота парообразования,

2. Анализ нагрева микроволновым полем вакуоли на III участке кривой сушки позволил математически доказать, что нагрев пропорционален количеству воды, оставшейся в вакуоле.

3. Анализ процесса испарения из пористого тела в вакууме позволил вывести выражение для ~ - разности текущей температуры от температуры, соответствующей равновесию

дг=-

ОТ

(14)

На основе полученного выражения можно сделать следующий вывод:

отличие температуры поверхности от равновесной температуры,

соответствующей давлению в камере тем выше, чем больше

микроволновая мощность меньше отношение и меньше площадь

испарения 5. Для чистой поверхности воды возможен вариант увеличения площади поверхности 5 за счет кипения.

Таким образом, для уменьшения перегрева, который приводит к нарушению химических свойств продуктов (ухудшению его полезных биологических свойств), необходимо уменьшать микроволновую мощность и увеличивать поверхность испарения. Последнее может быть достигнуто путем нарезки продукта и перемешивания его в контейнере.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию процессов тепло- и массопереноса при микроволновом вакуумном обезвоживании.

Для экспериментального подтверждения полученных в главе 2 теоретических положений была создана автоматизированная система сбора и обработки информации. Новая система проектировалась на базе опытного образца микроволновой вакуумной установки (МВУ) «Муссон».

Новая автоматизированная система позволяет:

- управлять МВУ «Муссон» в автоматическом и ручном режимах;

- получать и обрабатывать информацию от датчиков установки;

- выводить всю необходимую информацию для пользователя на дисплее;

- сохранять полученные данные в виде, удобном для дальнейшей обработки.

Анализ литературных источников в главе 1 показал, что современные

автоматизированные системы сбора и обработки информации строятся по системе «микропроцессорный блок управления (БУ) установки - персональный компьютер». В рамках данной диссертации остановились на такой конфигурации системы. При таком построении необходимо разделить функции между блоком управления и персональным компьютером.

Блок управления обеспечивает следующие функции:

- управление установкой в автоматическом и ручном режимах;

- отображение параметров процесса на дисплее и возможность ввода необходимых параметров с клавиатуры;

- аналогово-цифровое преобразование и первичная обработка информации поступающей от датчиков;

передача данных по асинхронному последовательному интерфейсу на персональный компьютер. Обобщенная структурная схема БУ приведена на рис. 6.

В свою очередь» программные средства персонального компьютера обеспечивают следующие функции:

- дистанционное управление установкой;

- отображение параметров технологического процесса в удобном 1 для пользователя виде в реальном времени;

- обработка информации, поступающей от установки, и сохранение ее на жестком диске в виде файлов.

Наиболее просто все выше описанные функции реализовать с помощью программного комплекса LabView, который представляет собой уникальный программный продукт, позволяющий контролировать различные процессы и реализовывать алгоритмы обработки данных в удобной среде визуального программирования. Основная задача разработчика — разработать алгоритм, который позволит управлять установкой, а также принимать и анализировать данные в ходе технологического процесса.

Для обработки экспериментальных данных была выбрана программа Origin фирмы OriginLab. Данный программный продукт позволяет всесторонне обрабатывать данные, а именно: строить графики экспериментальных данных в различных системах координат с различными масштабами по осям, сглаживать графики несколькими методами, численно интегрировать и дифференцировать полученные зависимости и др.

Рис. 6. Структурная схема БУ.

С помощью разработанной системы автоматизированного сбора и обработки информации удалось показать явление бародиффузии (см. рис. 7.). Как видно из рисунка на начальном этапе сушки наблюдается резкий спад зависимости массы продукта от времени.

Для понимания этого эффекта построим касательные к зависимости массы и определим тангенсы углов 1 и 2. Зная тангенсы углов, можно го выражения (3) определить суммарную мощность источников микроволновой энергии.

Зная, что в этот промежуток времени работало 4 магнетрона, получаем, что в первом случаем мощность одного магнетрона равна 800 Вт, что превышает паспортную мощность 650 Вт. Во втором случае мощность одного магнетрона получается равной 660 Вт.

Из этого можно сделать вывод, что начальный наклон зависимости массы от времени не может быть вызван только испарением влаги с поверхности продукта. Как показали эксперименты, такой аномальный участок зависимости массы продукта от времени наблюдается только у продуктов с высокой начальной влажностью (выше 85%).

Такой ускоренный процесс обезвоживания продуктов с высокой начальной влажностью (выше 85%) в начале процесса испарения обусловлен механическим выдавливанием влаги (эффектом бародиффузии).

6000- Ч _I_ ■ ! 1 1 ' ! ■ 1

- — - "■■"-■ Масса капусты

- - ^ --- — _4 -

— — - - —

-V у-

- \\ - — ~

- \ ч —-■

--

V ч Л,

( 1 \

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 «000

Время, с

Рис. 7. Процесс обезвоживания продукта (капуста).

Четвертая глава посвящена разработке установок.

В заключительной главе представлено использование результатов теоретического и экспериментального исследования для разработки конкретных образцов технологических установок.

В начале главы формулируются требования к установкам микроволнового вакуумного обезвоживания исходя из параметров технологического процесса. Используя эти данные, производится расчет отдельных элементов установки, а так же приводятся различные варианты компоновки установки в целом.

Основными элементами установки являются: вакуумная камера, система возбуждения, система охлаждения магнетронов и трансформаторов, вакуумный насос, а так же система рекуперации энергии.

Вакуумная камера выбрана цилиндрической формы из соображений удержания формы при вакуумировании, технологичности производства, а так же возможности вращать цилиндрический контейнер.

Из всего многообразия вакуумных насосов были выбраны два типа: водоструйный и водокольцевой. Водокольцевой насос, как более производительный и дорогой, целесообразнее использовать в мощных установках водоструйный, как более экономичный, в менее мощных,.

Было предложено две возможных конструкции системы возбуждения. Первый, «классический» способ расположения системы возбуждения подразумевает расположение на боковой стенке камеры набора параллельных щелей (рис. 8.). Система возбуждения представляет собой отрезок прямоугольного волновода стандартного сечения (90x45 мм), вблизи торцов которого установлены магнетроны. Магнетроны включаются по очереди: первую половину фазы питающего напряжения работает один, вторую - другой. Несмотря на то, что данное расположение щелей предусматривает хорошую защиту от пробоя при той напряжённости поля, которая возникает в процессе работы, такой вариант имеет ряд недостатков. Прежде всего, следует отметить, что большая часть микроволновой энергии из волновода выходит через первую от магнетрона щель, что повышает вероятность ее пробоя. Кроме того, излучение имеет направленность по образующей.

Системы возбуждения, использующие волноводы, обладают одним общим недостатком - генераторы расположены на больших расстояниях друг от друга и поэтому каждый генератор и его блок питания охлаждаются собственным вентилятором. Это приводит к трудности направления этих тепловых потоков в камеру досушки, а применение большого количества вентиляторов уменьшает надежность всей установки в целом.

Рис. 8. «Классическая» система возбуждения.

Другой вариант построения системы возбуждения, который лишен выше описанных недостатков - торцевой (рис. 9.).

Рис. 9. Торцевая система возбуждения.

Для излучения микроволновой энергии внутрь рабочей камеры используется стандартный адаптер, который применяется в бытовой микроволновой печи. Окно связи микроволнового адаптера закрывается прямоугольным элементом из фторопласта. Хотя окно связи имеет достаточные геометрические размеры, вероятность пробоя по поверхности фторопласта сохранялась. Поэтому для вакуумирования окон связи было предложено применять фторопластовые «стаканы», которые имеют большую площадь, чем пластины.

К недостаткам данной системы можно отнести лишь неравномерность поля в камере - продукт, находящийся возле источников энергии, подгорает, а находящийся у противоположной стенки - остаётся сырым. Данная проблема решается путём установки в барабан специального перемешивателя. Торцевая система обладает одним основным преимуществом - все магнетроны можно охлаждать одним общим промышленным вентилятором, что существенно повышает надежность всей системы, а так же позволяет весь тепловой поток направлять в камеру досушки.

Расчет системы охлаждения магнетронов и трансформаторов показал, что возможно охлаждать все трансформаторы и магнетроны одним мощным промышленным вентилятором, параметры которого рассчитываются по предложенной методике.

Для увеличения производительности установки в целом, в ней необходимо предусмотреть систему рекуперации энергии. При охлаждении генераторов микроволновой энергии, источников питания генераторов, а также охлаждения пара, поступающего из основной камеры, выделяется тепло, которое возможно использовать либо для предварительной сушки, либо для окончательной досушки продукции в зависимости от технологического процесса.

На основе представленного многообразия вариантов были спроектированы МВУ «Муссон» и МВУ «Муссон-2» (рис. 10).

б

Рис. 10. МВУ «Муссон-1» (а) и МВУ «Муссон-2» (б) (показаны без защитных

кожухов).

В- заключение четвертой главы приведены примеры применения разработанной технологии для обезвоживания различных продуктов.

В заключении подводятся итоги проделанной работы:

1. Проведены эксперименты по микроволновому обезвоживанию широкого круга продуктов.

2. Разработана математическая модель массо- и теплопереноса в различных средах под воздействием микроволнового излучения, учитывающая внутреннее строение вещества.

3. Разработаны методы контроля технологическим процессом микроволнового обезвоживания.

4. Разработан алгоритм управления технологическим процессом микроволнового обезвоживания, позволяющий получать продукт с заданной конечной влажностью и сохранять полезные биологические свойства продукта.

5. Разработаны и экспериментально исследованы устройства распределенного возбуждения рабочей камеры от нескольких источников микроволнового излучения.

6. Спроектированы и внедрены в различные области народного хозяйства промышленные технологические микроволновые установки серии «Муссон».

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Иванов В.А., Парамоненко С.Г., Розанов СВ. Исследование процесса микроволнового вакуумного обезвоживания пищевых продуктов. / Тезисы докладов международной научно-технической конференции «Ресурсосберегающие технологии пищевых производств». Санкт-Петербургская гос. академия холода и пищевых технологий -СПб., 1998., о. 248.

2. Ivanov V.A., Paramonenko S.G., Rozanov S.V., Sapunov S.G., Shipkov A.G. An experience of R&D and Operation of Microwave Drying Units With Output power 525 kW. . (Опыт разработки и эксплуатации микроволновых сушильных установок с выходной мощностью 5-25 кВт.)/ Book of abstracts of 8th International Conference on Microwave and High Frequency Heating. Bayreuth, Germany, 2001, с 95-96.

3. Иванов В.А., Розанов СВ., Хомич О.В. Анализ изменения мощности нагрева при микроволновом вакуумном обезвоживании. //Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2003. Вып. 1.С. 32-37.

Подписано в печать 13.02.2004. Формат 60x84/16. Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии ЗАО «КопиСервио. Печать ризографическая. Заказ № 1/1302. П. л. 1.125. Уч.-изд. 1.125. Тираж 100 экз.

ЗАО «КопиСервио, 194017, Санкт-Петербург, Скобелевский пр., д. 16 тел.: (812) 234 4333

К'. .3892

Введение.

Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи.

1.1. Обобщенная структура микроволновой технологической установки.

1.2. Анализ развития микроволновых технологий.

1.3. Анализ состояния теоретических разработок.

1.4. Существующие микроволновые технологические установки.

1.5. Системы управления микроволновыми технологическими

I* установками.

1.6. Постановка задачи.

2.1. Анализ изменения мощности нагрева при микроволновом вакуумном обезвоживании.40

2.2. Разработка алгоритма процесса обезвоживания.49

2.3. Разработка математической модели.58

2.3.1. Описание объекта исследования и его физических характеристик.58

2.3.2. Характеристика воздействия.60

2.3.3. Уравнение непрерывности.69

2.3.4. Уравнение теплопроводности.70

2.3.5. Нормировка уравнения непрерывности.71

2.3.6. Нормировка уравнения теплопроводности.72

2.4. Результаты и выводы.73

2.4.1. Анализ кривой сушки.73

2.4.2. Анализ температуры поверхности вакуоли (клетки) на Ш участке кривой сушки.75

2.4.3. Анализ нагрева микроволновым полем на III участке кривой сушки.76

2.4.4. Интегральный анализ процесса испарения из пористого тела в вакууме.77

2.4.5. Основные результаты главы 2.79

Список литературы главы 2.81

Глава 3. Экспериментальное исследование.83

Введение.83

3.1. Блок управления МВУ «Муссон».84

3.2. Программное обеспечение ПК.96

3.3. Результаты и выводы.101

Список литературы главы 3.103

Глава 4. Разработка установок.104

Введение.104

4.1. Требования к технологическому режиму.104

4.2. Варианты построения микроволновых технологических установок. 106 ^ 4.2.1. Вакуумная камера.107

4.2.2. Система рекуперации энергии.108

4.2.3. Система возбуждения.109

4.2.4. Вакуумные насосы, применяемые в технологических вакуумных установках.113

4.2.5. Вакуумная система.116

4.2.6. Система поддержания давления.119

4.3. Расчет и выбор отдельных элементов.120

4.3.1. Расчет и выбор насоса.120 и,

4.3.2. Расчет системы охлаждения генераторов и блоков питания.124

4.4. Варианты реальных установок.127

4.5. Тестирование микроволновых технологических установок.131

Список литературы главы 4.133

Заключение.135

Приложения.137 V

Обозначения принятые в диссертации т - масса [кг] р — плотность [кг/м3]

С - теплоемкость [Дж/(кг*К)]

Рт - мощность [Вт] р — давление [Па, мм. рт. ст.] - время [с] г —удельная теплота испарения воды [2,4*106 Дж/кг] к -влажность влагосодержание

0(Т) — коэффициент диффузии при температуре

Т [м /с]

Т — температура [К]

7 - поток тепла [Дж/(м2*с)]

Q - плотность источников нагрева [Вт/м ] л - теплопроводность

Вт/(м2*К)] со — частота микроволнового сигнала [рад/с] 0)вр — скорость вращения [рад/с] а — коэффициент теплопередачи от воздуха к продукту [Вт/(м *К)] б'г — действительная часть коэффициента диэлектрической проницаемости епг - мнимая часть коэффициента диэлектрической проницаемости 8 — глубина проникновения микроволновой мощности в материал [м]

- площадь [м2]

Индексы: effЪbch-/эффективный, (bound) связанный, химически связанный, (free) свободный, 6

Поверхностный, се11- клетка, вакуоль,

- символ усреднения,

0- начальный, исходный, основной

V- объемный, н2о- относящийся к воде, относящийся к пару, тг — относящийся к воздуху, ргос1— относящийся к продукту, се- относящийся ко льду, уарог- - относящийся к испарению,

ИеШ — относящийся к нагреву

Введение.

Начало развития технологий, базирующихся на эффектах воздействия микроволнового излучения на различные вещества, относится к 1946 г, когда в условиях конверсии послевоенной радиотехнической промышленности в США были разработаны и выпущены на рынок первые бытовые микроволновые печи. В России работы в этой области, в частности по исследованию нетеплового воздействия микроволнового излучения микроволнового излучения на биологические объекты, были начаты в середине 60-х гт. Однако вплоть до последнего времени отдельные малочисленные проекты по разработке микроволновых технологий для гражданского применения не были приоритетными для отечественной промышленности, ориентированной в основном на решение задач военно-промышленного комплекса.

Внедрение микроволновых технологий в практику сдерживалось, во-первых, отсутствием моделей процессов, протекающих при воздействии микроволнового излучения на различные вещества, следствием чего было отсутствие алгоритмов и автоматизированных систем управления технологическим процессом, во-вторых, отсутствием методики проектирования микроволновых технологических установок.

С появлением дешевых источников микроволнового излучения — магнетронов и разработкой моделей микроволновых технологических процессов микроволновые технологии находят применение в таких приоритетных отраслях народного хозяйства, как пищевая, медицинская, фармацевтическая, целлюлозно-бумажная, в промышленности строительных материалов, в сельском хозяйстве, в горном деле и др. Появляются новые перспективные направления применения микроволновых технологий, в частности, по исследованию химического состава пищевых продуктов с целью определения содержания в них тяжелых металлов, в области микроволнового химического синтеза лекарственных средств широкого применения и их соединений, а так же в экологии - для очистки грунта от промышленных отходов. По результатам 8-ой Международной конференции по микроволновому и высокочастотному нагреву (8th International Conference on Microwave and High Frequency Heating, Bayreuth, Germany, 2001г.) годовой рынок микроволновых технологических установок оценивается в более чем 500 миллионов долларов США.

Большую часть рынка применения микроволновых технологий составляют технологии, основанные на микроволновом нагреве, такие как нагрев, размораживание, обезвоживание. По сравнению с известными способами обезвоживания, основанными на нагреве продукта за счет конвекции, ик-излучения и т.п., процессы с применением микроволновой энергии обладают целым рядом принципиальных преимуществ:

1. Энергосбережение (микроволновый нагрев имеет высокий к.п.д. — не менее 70%, а также возможность использования вторичного тепла для сушки, тем самым, повышая общий к.п.д. процесса обезвоживания).

2. Температурный градиент направлен к поверхности, и таким образом температура внутри вещества больше, чем на поверхности, что создает внутреннее избыточное давление и позволяет ускорить процесс обезвоживания.

3. Внешние слои не иссушаются полностью, поверхность остается влагопроницаемой.

4. Нагрев воды и органического продукта происходит выборочно — он обусловлен большими диэлектрическими потерями воды по сравнению с высушиваемым продуктом.

5. Возможность сушки продуктов с низкой температурной проводимостью.

6. Низкая инерционность нагрева и малое, точно прогнозируемое время технологического процесса позволяют создавать автоматизированные технологические комплексы.

7. Экологичность процесса, заключающаяся в возможности утилизации всех продуктов технологического процесса.

8. Возможность обезвоживания веществ, окисляющихся при обычных способах сушки.

Из изложенного следует, что исследование, разработка и внедрение микроволновых технологий и, в частности микроволнового обезвоживания, безусловно, актуально. Масштабы исследований и объемы финансирования разработок, связанных с гражданским применением микроволн, в последние годы, как в России, так и за рубежом, непрерывно возрастают. Но разработка новых микроволновых технологий невозможна без построения модели процессов, протекающих при микроволновом обезвоживании, и построения принципов проектирования микроволновых промышленных установок.

1. М.К. Krokida, Z.B. Maroulis. Effect of Drying Method on Shrinkage and Porosity. Drying Technology, 15(10), 1997. pp. 2441-2458.

2. R. Schiffmann. An Update of the Applications of Microwave Power in the Food Industry. Journal of Microwave Power, 15, 1985. pp. 221-224.

3. J.P. O'Meara. Progress Report on Microwave Drying. Annual Conference of Potato Chip Institute International, San Diego С A, 1966. pp. 234-254.

4. D.G. Prabhanjan, H.S. Ramaswamy, G.S.V. Raghavan. Microwave-Assisted Convective Air Drying of Thin Layer Carrots. Journal of Food Engineering, 25, 1995. pp. 283-293.

5. R.E. Mudgett, W.B. Westphal. Dielectric Behavior of an Aqueous Cation Exchanger. Journal of Microwave Power, 24,1989. pp. 33-37.

6. D.W. Lyons, J.D. Hatcher, J.E. Sunderland. Drying of a Porous Medium with Internal Heat Generation. International Journal of Heat and Mass Transfer, 15, 1972. p. 897.

7. B. Al-Duri, S. Mclntyre. Comparison of Drying Kinetics of Food Using a FanAssisted Convection Oven, a Microwave Oven and Combined Microwave/Convection Oven. Journal of Food Engineering, 15, 1991. pp. 139155.

8. I.W. Turner, P.G. Jolly. The Modelling of Combined Microwave and Convective Dryingof a Wet Porous Material. Drying Technology, 9(5), 1991. pp. 1209-1270.

9. I.L. Turner, V. Rudolph. Convective and Microwave Enhanced Drying of Glass Beads. Drying, 92 b, 1992. pp.553-561.

10. R.V. Decareau. Microwave Food Processing Equipment Throughout the World. Journal of Food Technology, 40(6), 1986. pp. 99-105.U.S. Lefeuvre. Microwave Drying of Porous Materials. Physical Technology, 12, 1981. pp. 155-161.

11. I.W. Turner. A Study of the Power Density Distribution Generated During the Combined Microwave and Convective Drying of Softwood. Drying'94, Marcel-DekkerNY, 1994. pp. 89-111.

12. M.A.J. Hoffman. Microwave Heating as an Energy Source for the Predrying of Herbage Samples. Plat and Soil, 23, 1965. pp. 145-147.

13. C.B. Sverzut, L.R. Verma. Microwave Analysis of Shredded Sugar Cane. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers, 2, 1986. pp. 215219.

14. T.N. Tulasidas, G.S.V. Raghavan, E.R. Norris. Microwave and Convective Drying of Grapes. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers, 36(6), 1993. pp. 1861-1865.

15. C.T. Kiranoudis, E. Tsami, Z.B. Maroulis. Microwave Vacuum Drying Kinetics of Some Fruits. Drying Technology, 15(10), 1997. pp. 2421-2440.

16. A.E. Drouzas, H. Schubert. Microwave Application in Vacuum Drying of Fruits. Journal of Food Engineering, 28, 1996. pp. 203-209.

17. M.R. Okos, G. Narismhan, R.K. Singh, A.C. Weitnauer. Food Dehydration. In Handbook of Food Engineering, 1992. pp. 437-562.

18. K.S. Jayaraman, D.K. Das Gupta, N. Babu Rao. Effect of Pretreatment with Salt and Sucrose on the Quality and Stability of Dehydrated Cauliflower. International Journal of Food Sciens and Technology, 25, 1990. pp.47-60.

19. W. A.M. McMinn, T.R.A. Magee. Physical Characteristics of Dehydrated Potatoes Part II. Journal of Food Engineering, 33, 1997a. pp. 49-55.

20. K. Franzen, R.K. Singh, M.R. Okos. Kinetics of Nonenzymatic Browning in Dried Skim Milk. Journal of Food Engineering, 11,1990. pp. 225-239.

21. M. Karel. Physical Structure and Quality of Dehydrated Foods. Drying, 91, 1991. pp. 26-35.

22. W. A.M. McMinn, T.R.A. Magee. Quality and Physical Structure of a Dehydrated Starch-Based System. Drying Technology, 15(6-8), 1997b. pp. 1961-1971.

23. R. Sieber, P. Eberhard, P.U. Gallmann. Heat Treatment of Milk in Domestic Microwave Ovens, Int. Dairy Journal, 6 (3), 1996, pp. 231-246.

24. Ashim K. Datta. Heat and Mass Transfer in the Microwave Processing of Food. Chemical Engineering Progress, 1990, pp. 47-53.

25. Пчельников Ю.Н., Елизаров A.A. Применение ВЧ- и СВЧ-нагрева для термообработки зерна.// Электронная техника. Сер. 1, СВЧ-техника.- 1996.-Вып. 1(467).-С. 57-63.31 .Материалы сайта www.pueschner.com .

26. R. Kohl, С. Clary, М. Yen, J. Ennen. Development of a Data ManagementNetwork for Batch Microwave Vacuum Dehydration of Fruits and Vegetables. CATI Publication #000902, USA, Fresno, 2000.

27. A.K. Datta, J. Zhang. Porous Media Approach to Heat and Mass Transfer in Solid Foods. Department of Agric. and Biol. Engineering Cornell University, 2001.

28. P. Ratanadechko, K. Aoki, M. Akahori. Experimental and Numerical Study of Microwave Drying in Unsaturated Porous Material. Int. Heat Mass Transfer, Vol.28, No.5, pp.605-616,2001.

29. Лыков A.B. Тепломассообмен: Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. — М.:Энергия, 1978. 480с.

30. Лыков A.B. Теория сушки. М.: Энергия, 1968. 472с.